JP5392530B2 - モータ制御装置 - Google Patents
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市川真士他、「拡張誘起電圧モデルに基づく突極型永久磁石同期モータのセンサレス制御」、電気学会論文誌 D,122巻12号、平成14年
一方、駆動対象の変位速度は、モータの回転角速度に対応しているので、当該変位速度を用いることによって、モータの回転角速度に応じて推定回転角を補正することができる。駆動対象の変位速度は、回転角推定手段による推定演算に依存しないから、推定開始直後から妥当な補正処理を行うことができる。
具体的には、回転角推定手段は、モータ電圧信号およびモータ電流信号に対して信号処理(フィルタリング)を行う信号処理部と、この信号処理部によって処理されたモータ電圧信号およびモータ電流信号を用いてモータの誘起電圧を推定する誘起電圧オブザーバとを含む。この場合、信号処理後のモータ電圧信号およびモータ電流信号には、モータの回転角速度に応じた位相遅れが生じる場合があるので、このような位相遅れが前記補正手段によって補正される。これにより、より精度の高い推定回転角を得ることができ、モータの制御をより適切に行うことができる。
モータの回転が停止していて、モータ電流が零付近のとき、モータへの印加電圧はモータ抵抗による電圧降下に等しくなる。そこで、この発明では、モータによる駆動対象の変位速度からモータの回転がほぼ停止しているかどうかを判断し、モータ電流を検出して所定値以下かどうかを判断している。そして、これらの条件が満たされると、モータ電圧(モータ電圧指令値または検出された印加電圧)およびモータ電流に基づいて、モータ抵抗が推定される。この推定されたモータ抵抗が回転角推定手段における推定演算に適用される。これにより、モータ温度の変化によるモータ抵抗の変動や、個々のモータにおけるモータ抵抗のばらつきの影響を補償して、正確な推定回転角を求めることができる。
請求項3記載の発明は、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、前記モータのモータ電圧およびモータ電流をそれぞれ表すモータ電圧信号およびモータ電流信号を用いて前記モータの誘起電圧を推定する誘起電圧オブザーバを含み、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、前記モータの誘起電圧を推定する誘起電圧推定手段と、この誘起電圧推定手段によって推定される推定誘起電圧に基づいて、前記誘起電圧オブザーバの内部状態変数の初期値を決定する初期値決定手段と、前記回転角推定手段が前記初期値に基づいて推定した推定回転角に基づいて前記モータを制御する制御手段と、前記モータに流れる電流を検出するモータ電流検出手段と、前記モータによって駆動される駆動対象の変位速度を検出する変位速度検出手段と、この変位速度検出手段によって検出される変位速度が所定値以下(具体的には零付近)で、かつ、前記モータ電流検出手段によって検出されるモータ電流が所定値以下(具体的には零付近)のときに、モータ電流およびモータ電圧に基づいて前記モータの抵抗値を推定するモータ抵抗推定手段とを含み、前記回転角推定手段は、前記モータ抵抗推定手段によって推定されたモータ抵抗を用いて推定回転角を求めるものである、モータ制御装置である。
請求項4記載の発明は、前記誘起電圧推定手段(26)が、モータ電圧およびモータ電流を用いてモータ方程式から誘起電圧を推定するものである、請求項1〜3のいずれか一項に記載のモータ制御装置である。
この構成によれば、モータ電圧およびモータ電流を用いてモータ方程式から誘起電圧が推定される。これにより、モータの現状に対応した推定誘起電圧が得られるから、回転角推定演算のための初期値を適切に定めることができ、それに応じて推定回転角が妥当な値に収束するまでの時間を短縮できる。
前記駆動対象は、たとえば減速機構(6)を介して、前記モータによって駆動されるものであってもよい。
図1は、参考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、車両の操向のための操作部材としてのステアリングホイール2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。トルクセンサ7は、たとえば、ステアリングホイール2と舵取り機構3とを結合するステアリングシャフト4の途中部に介装されたトーションバー5のねじれ方向およびねじれ量を検出することによって操作トルクを検出するものである。モータ1が発生するトルクは、モータ1の回転を所定の減速比で減速する減速機構6を介して舵取り機構3に伝達されるようになっている。
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。
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Id *)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Iq *)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Idq」という。
UVW/αβ座標変換部17Aは、三相検出電流Iuvwを、二相固定座標系(α−β)上での電流IαおよびIβ(以下、これらをまとめていうときには「二相検出電流Iαβ」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Iαβは、αβ/γδ座標変換部17Bに与えられる。
PWM制御部21は、三相の電圧指令値Vu *,Vv *,Vw *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Vu *,Vv *,Vw *に応じたデューティ比で電圧が印加されることになる。
回転角推定部25は、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Iαβ)と、γδ/αβ座標変換部20Aから与えられる二相電圧指令値Vαβとに基づいて、推定回転角を演算し、制御回転角θ^として出力する。
αβ座標系でのモータ方程式(回路方程式)は、次式(3)(4)のとおりである。
Vβ=(R+pL)Iβ+Eβ …(4)
ただし、Vαはα軸電圧、Vβはβ軸電圧、Iαはα軸電流、Iβはβ軸電流、Eαはα軸誘起電圧、Eβはβ軸誘起電圧、Rは電機子巻線抵抗(モータ抵抗)、Lはモータインダクタンス、pは微分演算子である。
EE α=Vα *−(R+pL)Iα …(5)
EE β=Vβ *−(R+pL)Iβ …(6)
なお、誘起電圧推定部26による推定演算の際、基本目標電流値演算部15が演算する基本目標電流値I*またはdq軸目標電流値演算部16が演算する目標電流値Idqを一定値に制御してもよい。このとき、前記式(5)(6)における微分項がいずれも零となるので、推定誘起電圧EE αβの演算が簡単になる。また、基本目標電流値演算部15が演算する基本目標電流値I*またはdq軸目標電流値演算部16が演算する目標電流値Idqをいずれも零として、αβ座標系における電流Iαβを零に制御してもよい。このとき、前記式(5)(6)における第二項がいずれも零となるので、二相電圧指令値Vαβを推定誘起電圧EE αβと見なすことができ、演算が一層簡単になる。
図3は、回転角推定部25の構成例を示すブロック図である。回転角推定部25は、信号処理部31と、誘起電圧を外乱として検出する外乱オブザーバからなる誘起電圧オブザーバ30と、推定された誘起電圧をロータ回転角に変換する変換手段としてのロータ角推定部29とを備えている。
この誘起電圧オブザーバ30は、次式(7)(8)で表される。
ξαβ(n+1)=(TSGA12+I)ξαβ(n)
+TSGB1Vαβ(n)+TSG(A11I−GA12)Iαβ(n) …(7)
E^αβ=ξαβ(n)−GIαβ(n) …(8)
A11=(−R/L)I
A12(−1/L)I
B1=(1/L)I
ただし、TSは推定演算の周期であり、Gはオブザーバゲインであり、Iは単位行列(2行2列)を表す。また、ξαβは内部状態を表す変数(内部変数)であり、α軸に対応したα軸変数ξαとβ軸に対応したβ軸変数ξβとからなる。nは演算周期の番号(すなわちサンプリングタイミングの時刻)を表しており、演算周期(時刻)nは演算周期(時刻)n+1の直前の演算周期である。したがって、たとえば、ξαβ(n)は時刻nにおける内部変数を表している。
ξβ(0)=EE β+GIβ(0) …(10)
この初期値ξαβ(0)は、モータ方程式を用いて演算した推定誘起電圧EE αβに基づいて求めたものであるので、任意に定めた初期値とは異なり、ロータ50の回転角に対応した適切な値となっている。そのため、この初期値ξαβ(0)を用いることによって、誘起電圧オブザーバ30が求める推定誘起電圧E^αβは、速やかに妥当な値へと収束する。
一方、2回目以降の回転角推定演算のときには(ステップS3:NO)、前制御周期の内部変数ξαβ(n-1)を用いて、誘起電圧オブザーバ30によって、今制御周期の内部変数ξαβ(n)が求められる(ステップS9)。さらに、この内部変数ξαβ(n)を用いて、誘起電圧オブザーバ30によって推定誘起電圧E^αβが求められる(ステップS6)。そして、これを用いてロータ角推定部29によって推定回転角θEが求められ(ステップS7)、これを制御回転角θ^として用いてモータ1の駆動が行われる(ステップS8)。
この実施形態では、ステアリングホイール2の回転角である操舵角を検出する舵角センサ9が備えられている。ステアリングホイール2は減速機構6を介してモータ1によって駆動される駆動対象としての舵取り機構3とともに変位するものである。したがって、舵角センサ9によって検出される操舵角はステアリングホイール2の変位量に相当し、これは、舵取り機構3に備えられた作動部材(たとえばラック軸)の変位量に相当する。
回転角算出部41は、舵角センサ9が検出する操舵角とロータ50の回転角との関係を記憶していて、その関係に従ってロータ50の回転角を算出する。たとえば、減速機構6の減速比(たとえば10)と、ロータ50の極対数(ロータ50が有する磁極対(N極とS極との対)の個数)とを用いて、次式(13)に従い、ロータ50の回転角θS(以下「検出回転角θS」という。)が演算される。このような演算を行う代わりに、式(13)の演算結果を予め記憶したマップを用いて検出回転角θSを求めてもよい。
この検出回転角θSが回転角速度演算部42および誘起電圧推定部26Aに与えられるようになっている。この検出回転角θSは、モータ1の制御に用いるには精度が足りないが、回転角推定部25における内部変数ξαβの妥当な初期値を決定するには充分な精度を有している。
誘起電圧推定部26Aは、回転角算出部41から与えられる検出回転角θSと、回転角速度演算部42から与えられる検出回転角速度ωSとに基づいて、モータ1の誘起電圧EE αβを推定する。具体的には、前記式(11)においてロータ回転角θに検出回転角θSを代入し、回転角速度ωに検出回転角速度ωSを代入することによって、α軸推定誘起電圧EE αおよびβ軸推定誘起電圧EE βが求められる。
抵抗値更新部43は、回転角推定部25の誘起電圧オブザーバ30において用いられるモータ抵抗Rの値を更新する。モータ抵抗Rは、モータ温度に依存し、かつ、個々のモータごとにばらついている。このようなモータ抵抗Rの温度変化や、モータごとのばらつきを吸収するために、抵抗値更新部43は、モータ抵抗Rを適値に更新する。
Vβ=R・Iβ …(15)
そこで、抵抗値更新部43は、回転角速度演算部42によって求められる検出回転角速度ωSの絶対値|ωS|が所定値以下(たとえば、5rpm以下。すなわち零付近の値)であり、かつ、二相検出電流Iαβの変化が所定値以下(たとえば、制御周期間の変化の絶対値が0.1A以下。すなわち零付近の値)であるという条件(抵抗値更新条件)が満たされるかどうかを常時監視している。そして、当該抵抗値更新条件が満たされたときに、抵抗値更新部43は、次式(16)(17)のいずれか一方または両方(たとえば両式から得られるRの値の平均値をとる。)により、モータ抵抗Rを求め、誘起電圧オブザーバ30におけるパラメータとしてのモータ抵抗Rを更新する。
R=Vβ */Iβ …(17)
なお、検出回転角速度の絶対値|ωS|が零付近の値かどうかを判断する代わりに、舵角センサ9の出力を時間微分して舵角速度を求める舵角速度演算部35を設け、この舵角速度演算部35で算出される舵角速度の絶対値が所定値以下(すなわち零付近)の値かどうかを判断するようにしてもよい。
ただし、ΔTは操作トルク変化量、kはトーションバーのばね定数である。
図8は、マイクロコンピュータ12が所定の制御周期(たとえば200μsec)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。この図8において、前述の図5と同様の処理が行われる各ステップには、図5と同一符号を付して示す。
次に、回転角推定部25における推定演算を開始して1回目の制御周期かどうか、すなわち、最初の推定演算かどうかが判断される(ステップS3)。最初の推定演算のときには(ステップS3:YES)、内部変数ξαβ(n)の初期値ξαβ(0)を定めるための演算が実行される。すなわち、舵角センサ9の出力信号から回転角算出部41で検出回転角θSが求められ、さらに、回転角速度演算部42で検出回転角速度ωSが求められて、これら基づき、誘起電圧推定部26が推定誘起電圧EE αβを求める(ステップS12)。この推定誘起電圧EE αβを用いて、初期値決定部27が内部変数ξαβ(n)の初期値ξαβ(0)を求める(ステップS5)。この初期値ξαβ(0)を用いて、誘起電圧オブザーバ30によって、推定誘起電圧E^αβが求められる(ステップS6)。ただし、最初の推定演算のときには、EE αβ=E^αβとなるので、ステップS6の処理を省いてもよい。
一方、2回目以降の回転角推定演算のときには(ステップS3:NO)、前制御周期の内部変数ξαβ(n-1)を用いて、誘起電圧オブザーバ30によって、今制御周期の内部変数ξαβ(n)が求められる(ステップS9)。さらに、この内部変数ξαβ(n)を用いて、誘起電圧オブザーバ30によって推定誘起電圧E^αβが求められる(ステップS6)。そして、これを用いて回転角推定部25によって推定回転角θEが求められ(ステップS7)、さらに補正部44によって推定回転角θEに補正が加えられる。この補正後の推定回転角θEを制御回転角θ^として用いてモータ1の駆動が行われる(ステップS8)。
このように、この実施形態によれば、推定回転角θEを求めるための推定演算が開始されると、舵角センサ9の出力信号を用いて推定誘起電圧EE αβが求められ、これに基づいて誘起電圧オブザーバ30の内部変数の初期値ξαβ(0)が演算される。したがって、この初期値ξαβ(0)は、モータ1の状態を反映しているので、誘起電圧オブザーバ30によって求められる推定誘起電圧E^αβは、速やかに妥当な値へと収束し、それに応じて推定回転角θEも速やかに適正な値へと収束する。これにより、推定回転角θEを制御回転角θ^として用いるセンサレス制御を速やかに立ち上げることができ、精度の高い制御回転角θ^を用いてモータ1を適切に制御することができる。したがって、モータ1を効率良く駆動することができるので、充分なトルクを発生させることができ、操舵感を向上することができる。
さらに、誘起電圧オブザーバ30のパラメータであるモータ抵抗Rが随時更新される構成であるため、モータ温度の上昇によるモータ抵抗の変動や、個々のモータにおけるモータ抵抗のばらつきの影響を補償して、正確な推定回転角θEを求めることができる。
また、誘起電圧Eαβは、モータ1の回転角速度に依存するので、誘起電圧Eαβに代わる指標として、モータ1の回転角速度を用い、この回転角速度が所定の回転角速度閾値未満(推定演算中断条件)のときに、回転角推定部25による推定演算を中断することとしてもよい。判断対象となる回転角速度としては、回転角速度演算部42によって求められる検出回転角速度ωSを用いてもよいし、回転角推定部25が求める推定回転角θEを時間微分して得られる推定回転角速度を用いることとしてもよい。
推定回転角θEの演算を中断しているときに、前記推定演算中断条件が満たされなくなったときには、回転角推定部25による推定演算を再開すればよい。この再開に当たって、初期値決定部27によって内部変数ξαβの初期値を決定することにより、推定回転角θEを速やかに妥当な値へと収束させることができる。
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。その場合、モータによる駆動対象の変位を検出する変位センサの出力を前述の舵角センサ9の出力と同様に処理することによって、前述の第2の実施形態に従う処理が可能となる。
Claims (5)
- 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、
前記モータのモータ電圧およびモータ電流をそれぞれ表すモータ電圧信号およびモータ電流信号をフィルタリングする信号処理部と、前記信号処理部によってフィルタリングされたモータ電圧信号およびモータ電流信号を用いて前記モータの誘起電圧を推定する誘起電圧オブザーバとを含み、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、
前記モータの誘起電圧を推定する誘起電圧推定手段と、
この誘起電圧推定手段によって推定される推定誘起電圧に基づいて、前記誘起電圧オブザーバの内部状態変数の初期値を決定する初期値決定手段と、
前記モータによって駆動される駆動対象の変位速度を検出する変位速度検出手段と、
前記信号処理部での位相遅れに起因する回転角推定誤差を補正するように、前記変位速度検出手段によって検出された変位速度に基づいて前記回転角推定手段によって求められた推定回転角を補正する補正手段と、
前記回転角推定手段が前記初期値に基づいて推定し、前記補正手段によって補正された推定回転角に基づいて前記モータを制御する制御手段とを含む、モータ制御装置。 - 前記モータに流れる電流を検出するモータ電流検出手段と、
前記変位速度検出手段によって検出される変位速度が所定値以下で、かつ、前記モータ電流検出手段によって検出されるモータ電流が所定値以下のときに、モータ電流およびモータ電圧に基づいて前記モータの抵抗値を推定するモータ抵抗推定手段とをさらに含み、
前記回転角推定手段は、前記モータ抵抗推定手段によって推定されたモータ抵抗を用いて推定回転角を求めるものである、請求項1に記載のモータ制御装置。 - 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、
前記モータのモータ電圧およびモータ電流をそれぞれ表すモータ電圧信号およびモータ電流信号を用いて前記モータの誘起電圧を推定する誘起電圧オブザーバを含み、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、
前記モータの誘起電圧を推定する誘起電圧推定手段と、
この誘起電圧推定手段によって推定される推定誘起電圧に基づいて、前記誘起電圧オブザーバの内部状態変数の初期値を決定する初期値決定手段と、
前記回転角推定手段が前記初期値に基づいて推定した推定回転角に基づいて前記モータを制御する制御手段と、
前記モータに流れる電流を検出するモータ電流検出手段と、
前記モータによって駆動される駆動対象の変位速度を検出する変位速度検出手段と、
この変位速度検出手段によって検出される変位速度が所定値以下で、かつ、前記モータ電流検出手段によって検出されるモータ電流が所定値以下のときに、モータ電流およびモータ電圧に基づいて前記モータの抵抗値を推定するモータ抵抗推定手段とを含み、
前記回転角推定手段は、前記モータ抵抗推定手段によって推定されたモータ抵抗を用いて推定回転角を求めるものである、モータ制御装置。 - 前記誘起電圧推定手段が、モータ電圧およびモータ電流を用いてモータ方程式から誘起電圧を推定するものである、請求項1〜3のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
- 前記モータによって駆動される駆動対象の変位量を検出する変位量検出手段の出力に基づいて前記モータの回転角を算出する回転角算出手段と、
前記変位量検出手段の出力に基づいて前記モータの回転角速度を演算する回転角速度演算手段とをさらに含み、
前記誘起電圧推定手段が、前記回転角算出手段によって算出される回転角および前記回転角速度演算手段によって演算される回転角速度に基づいて誘起電圧を推定するものである、請求項1〜3のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
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