JP5417195B2 - 永久磁石モータのトルクリプル抑制制御装置、電動パワーステアリングシステム - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石モータにおける誘起電圧歪によるトルクリプルを抑制する技術に関する。

モータの誘起電圧波形が矩形波（誘起電圧歪み）である場合のトルクリプル抑制方法として、以下のような方法が知られている。これは、３相の誘起電圧波形をd軸の電圧e_dとq軸の電圧e_qに変換し、q軸の電流指令値I_qrefを下記式（１）に基づいて演算することにより、トルクリプルをキャンセルするものである。

---------------------------------------------------------------------------(1)

式（１）において、T_refはトルク指令値、ω_mはモータの機械角速度である。つまり式（１）では、モータの誘起電圧波形が矩形波であっても、モータのトルクが一定となる様に、脈動波形を含んだq軸の電流指令値I_qrefを演算している。この電流指令値に従いベクトル制御を行えば、トルクリプルを抑制することができる。

しかし、上記の電流指令値I_qrefは脈動波形を含んだものとなるため、高応答な電流制御系を用いて、電流指令値I_qref に応じたq軸の電流I_qを制御する必要がある。つまり、電流制御の応答周波数を下記式（２）の関係を満たすように設定する必要が有る。

------------------------------------------------(2)

式（２）において、nはモータの疑似矩形波を周波数分析した際における振幅成分の5%以上の次数波成分を表す。また、Pはモータの極数、ωはモータの実回転数を表す。

以上説明したようなトルクリプル抑制方法は、特許文献１に記載されている。

特開２００４−２０１４８７号公報

上記のような従来のトルクリプル抑制方法によれば、モータの誘起電圧波形が矩形波である場合に発生するトルクリプル成分をキャンセルする制御を行うことができる。ここでモータのトルクは、q軸の電圧e_qに比例するq軸の誘起電圧係数（K_edと表す）とq軸の電流I_qとの乗算値に比例する。そのため、q軸の誘起電圧係数K_edと電流I_qの脈動成分をΔK_ed、ΔI_qとそれぞれ表すと、これらの脈動成分の乗算値（ΔK_ed×ΔI_q）に応じてトルクリプルの直流成分が発生する。しかし、従来のトルクリプル抑制方法では、このトルクリプルの直流成分を有効に使うことができない。

本発明の目的は、トルクリプルの直流成分を有効に使うことができるトルクリプル抑制制御装置および電動パワーステアリングシステムを提供することである。

本発明の一態様による永久磁石モータのトルクリプル抑制制御装置は、外部より入力されるトルク指令値に基づいて電流指令値を出力する電流指令変換部と、永久磁石モータの回転位置を検出して位置検出値を出力する位置検出器と、永久磁石モータの電流を検出して電流検出値を出力する電流検出部と、位置検出値に基づいて永久磁石モータの誘起電圧係数に関する情報信号を出力する誘起電圧係数設定部と、情報信号および予め設定された比例ゲインに基づいて永久磁石モータの電流補正指令値を出力するトルクリプル抑制演算部と、電流指令値および電流補正指令値の加算結果と電流検出値とに基づいて永久磁石モータを駆動するための電圧指令値を出力する電流制御演算部と、電圧指令値に基づいて永久磁石モータを駆動するための電圧を出力する電力変換器とを備える。この永久磁石モータのトルクリプル抑制制御装置において、電流指令変換部は、永久磁石モータの回転座標系のｄ軸およびｑ軸の各電流指令値を出力し、誘起電圧係数設定部は、情報信号として、ｄ軸およびｑ軸の各誘起電圧係数と、ｄ軸およびｑ軸のいずれか少なくとも一方の誘起電圧係数の平均値および脈動成分の振幅値とを出力し、トルクリプル抑制演算部は、ｄ軸およびｑ軸の各電流補正指令値を出力し、電流制御演算部は、ｄ軸の電流指令値およびｄ軸の電流補正指令値の加算結果と、ｑ軸の電流指令値およびｑ軸の電流補正指令値の加算結果と、電流検出値とに基づいて、ｄ軸およびｑ軸の各電圧指令値を出力する。
本発明の他の一態様による永久磁石モータのトルクリプル抑制制御装置は、外部より入力されるトルク指令値に基づいて電流指令値を出力する電流指令変換部と、永久磁石モータの回転位置を検出して位置検出値を出力する位置検出器と、永久磁石モータの電流を検出して電流検出値を出力する電流検出部と、位置検出値に基づいて永久磁石モータの誘起電圧係数に関する情報信号を出力する誘起電圧係数設定部と、情報信号および予め設定された比例ゲインに基づいて永久磁石モータの電流補正指令値を出力するトルクリプル抑制演算部と、電流指令値および電流補正指令値の加算結果と、電流検出値とに基づいて、永久磁石モータを駆動するための電圧指令値を出力する電流制御演算部と、電圧指令値に基づいて永久磁石モータを駆動するための電圧を出力する電力変換器とを備える。この永久磁石モータのトルクリプル抑制制御装置において、電力変換器は、電流指令値に電流補正指令値を加算しない場合に電流制御演算部から出力される電圧指令値によって永久磁石モータを駆動した場合の直流トルクと比較して、永久磁石モータにおける１２次調波の脈動トルク成分の振幅の略１／２分だけ永久磁石モータの直流トルクを増加させる。
本発明による電動パワーステアリングシステムは、上記の永久磁石モータのトルクリプル抑制制御装置と、永久磁石モータと、減速機構を介して永久磁石モータと機械的に接続されるステアリングシャフトと、ステアリングシャフトと機械的に接続されるステアリングホイールと、ステアリングホイールを介して入力される操作を検出するトルクセンサと、トルクセンサによる操作の検出結果に基づいてトルク指令値を出力するトルク指令部とを備える。

本発明によれば、トルクリプルの直流成分を有効に使うことができるトルクリプル抑制制御装置および電動パワーステアリングシステムを提供することができる。

本発明の一実施の形態による永久磁石モータのトルク脈動抑制御装置の構成図 電流制御演算部の構成図 磁石モータの誘起電圧波形が正弦波の場合のトルク特性 磁石モータの誘起電圧波形が歪んでいる場合のトルク特性 誘起電圧係数設定部の構成図 位置信号と誘起電圧係数の情報信号との関係図 トルクリプル抑制演算部の構成図 誘起電圧波形が歪んでいる磁石モータを正弦波駆動した場合のトルク制御特性 トルクリプル抑制補償を行った場合のトルク制御特性 本発明の第２の実施の形態による永久磁石モータのトルク脈動抑制御装置の構成図 脈動外乱電流制御を用いない場合の高速領域における電流特性 脈動外乱電流制御を付加した電流制御演算部の構成図 d軸の脈動外乱電流制御演算部の構成図 q軸の脈動外乱電流制御演算部の構成図 脈動外乱電流制御を用いた場合の高速領域における電流特性 本発明の第３の実施の形態による永久磁石モータのトルク脈動抑制御装置の構成図 誘起電圧係数同定部の構成の一例 誘起電圧係数同定部の構成の他の一例 本発明を電動パワーステアリングシステムに適用した一例

以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。

−第１の実施の形態−
図１は、本発明の一実施の形態による永久磁石モータのトルクリプル抑制制御装置の構成例を示す。磁石モータ１は、永久磁石の磁束によるトルク成分と電機子巻線のインダクタンスによるトルク成分を合成したモータ・トルクを出力する。電力変換器２は、三相交流の電圧指令値v_u ^*，v_v ^*，v_w ^*に比例した電圧を出力し、磁石モータ１の出力電圧と回転数を可変する。

直流電源３は、電力変換器２に直流電圧を供給する。電流検出部４は、磁石モータ１に流れる三相の交流電流i_u，i_v，i_wを検出し、電流検出値i_uc，i_vc，i_wcを出力する。位置検出器５は、モータの回転位置θを検出して位置検出値θ_dcを出力する。位置検出器５は、例えばレゾルバやエンコーダにより構成される。

座標変換部６は、上記三相の交流電流の検出値i_uc，i_vc，i_wcと位置検出値θ_dcを用いて、d軸およびq軸の電流検出値I_dc，I_qcを演算し出力する。電流指令変換部７は、トルク指令値τ^*に基づいて、d軸およびq軸の電流指令値I_d0 ^*，I_q0 ^*を演算し出力する。

誘起電圧係数設定部８は、位置検出器５からの位置検出値θ_dcを入力して、誘起電圧係数の情報信号K_ed，⁻K_ed，⁻ΔK_ed，K_eqおよび⁻ΔK_eqを出力する。なお、これらの誘起電圧係数の各情報信号が何を表すかについては、後で詳しく説明する。トルクリプル抑制演算部９は、誘起電圧係数設定部８から出力された上記の各情報信号に基づいて、d軸およびq軸の電流補正指令値ΔI_d ^*，ΔI_q ^*を出力する。この電流補正指令値ΔI_d ^*，ΔI_q ^*は、電流指令変換部７から出力されたd軸およびq軸の電流指令値I_d0 ^*，I_q0 ^*にそれぞれ加算される。加算後の電流指令値I_d0 ^*，I_q0 ^*は、新たな電流指令値I_d ^*，I_q ^*として電流制御演算部１０に入力される。

電流制御演算部１０は、上記の電流指令値I_d ^*，I_q ^*に基づいて、d軸およびq軸の電流検出値I_dc，I_qcが追従するように比例・積分演算を行い、その演算結果に応じてd軸およびq軸の電圧指令値V_dc ^*，V_qc ^*を座標変換部１１へ出力する。座標変換部１１は、電流制御演算部１０からのd軸およびq軸の電圧指令値V_dc ^*，V_qc ^*と、位置検出器５からの位置検出値θ_dcとを用いて、三相交流の電圧指令値v_u ^*，v_v ^*，v_w ^*を電力変換器２へ出力する。この電圧指令値v_u ^*，v_v ^*，v_wに基づいて、電力変換器２が前述のように磁石モータ１の出力電圧と回転数を可変することにより、磁石モータ１の駆動制御が行われる。

続いて、ベクトル制御方式の電圧制御と位相制御の基本動作について説明する。電圧制御の基本動作について先に説明する。電流制御演算部１０の構成を図２に示す。図２において、d軸の電流指令値I_d ^*と電流検出値I_dcは、d軸の電流制御演算部１０ａに入力され、q軸の電流指令値I_q ^*と電流検出値I_qcは、q軸の電流制御演算部１０ｂに入力される。電流制御演算部１０ａ、１０ｂは、以下の式（３）に従って、電流指令値I_d0 ^*，I_q0 ^*に各成分の電流検出値I_dc，I_qcが追従するようにそれぞれ比例・積分演算を行い、d軸およびq軸の電圧指令値V_dc ^*，V_qc ^*をそれぞれ出力する。

----------------------------------------------------------------- (3)

式（３）において、K_pdはd軸の電流制御の比例ゲイン、K_idはd軸の電流制御の積分ゲイン、K_pqはq軸の電流制御の比例ゲイン、K_iqはq軸の電流制御の積分ゲインをそれぞれ表す。

一方、位相制御では、レゾルバ、エンコーダ、磁極位置検出器などを用いて構成される位置検出器５において、磁石モータ１の回転位置θを検出し、位置検出値θ_dcを得る。座標変換部６，１１では、この位置検出値θ_dcを用いて、以下の式（４）、（５）に示す座標変換をそれぞれ行う。

-------------------------------------------- (4)

------------------------------------------ (5)

以上が、電圧制御と位相制御の基本動作である。

次に、本発明の特徴である誘起電圧係数設定部８およびトルクリプル抑制演算部９を設けない場合の制御特性について述べる。図１の制御装置において、永久磁石モータ１の誘起電圧波形e_uv（u相−v相の線間電圧）が磁石モータ１のトルク特性に及ぼす影響を図３、図４に示す。

図３は、誘起電圧波形e_uvが正弦波状であるときの誘起電圧波形e_uvとモータ・トルクτの関係を示している。図３により、モータ・トルクτは指令値τ*の100%に一致しており、トルクリプルは無く安定に制御されている様子が分かる。

一方、図４は、誘起電圧波形e_uvが矩形波状であるときの誘起電圧波形e_uvとモータ・トルクτの関係を示している。ここでは、各相（u相,v相,w相）の誘起電圧波形に５次調波成分が10%含まれている例を示している。この場合、トルク指令値τ*の100%に対して、トルクリプルΔτは６次調波成分で20%も発生している様子が分かる。

次に、本発明の特徴となる誘起電圧係数設定部８およびトルクリプル抑制演算部９の構成について説明を行う。誘起電圧設定部８の構成を図５に示す。誘起電圧設定部８では、位置検出値θ_dcが参照テーブル８ａに入力される。参照テーブル８ａには、様々なモータの回転位置に応じた誘起電圧係数の値が予めテーブル化されている。このテーブル化された誘起電圧係数の値を参照することにより、入力された位置検出値θ_dcに応じて、前述の誘起電圧係数の各情報信号K_ed，⁻K_ed，⁻ΔK_ed，K_eqおよび⁻ΔK_eqが誘起電圧設定部８から出力される。

図６に、位置検出信号θ_dcと誘起電圧設定部８から出力される誘起電圧係数の各情報信号との関係を示す。位置検出信号θ_dcが変化すると、参照テーブルでは、図６の３段目に示すような誘起電圧係数の各情報信号K_ed，⁻K_ed，⁻ΔK_ed，K_eqおよび⁻ΔK_eqを出力する。これらの誘起電圧係数の各情報信号は、固定子座標系の三相交流の誘起電圧係数K_e（誘起電圧値をモータの電気角速度ωで除算した値）を、回転子座標系のd軸の成分値K_edおよびq軸の成分値K_eqに分解したものである。なお、図６において、２段目には、図４に示した誘起電圧波形e_uvを参考のために示している。

図６において、K_edはd軸の誘起電圧係数、K_eqはq軸の誘起電圧係数をそれぞれ表す。また、⁻K_edはd軸の誘起電圧係数K_edの平均値、⁻ΔK_edはd軸の誘起電圧係数K_edの脈動成分の振幅値、⁻ΔK_eqはq軸の誘起電圧係数K_eqの脈動成分の振幅値をそれぞれ表す。図６に示すように、d軸、q軸の誘起電圧係数K_ed，K_eqは位置検出値θ_dcに応じてそれぞれ変化する。一方、d軸の誘起電圧係数の平均値⁻K_edと、d軸、q軸の誘起電圧係数の脈動成分の振幅値⁻ΔK_ed，⁻ΔK_eqは、いずれも位置検出値θ_dcに関わらず一定である。

トルクリプル抑制演算部９の構成を図７に示す。トルクリプル抑制演算部９では、誘起電圧設定部８から出力された上記の誘起電圧係数の各情報信号のうち、信号K_edおよび信号⁻K_edが減算部９ａに入力される。減算部９ａは、入力された信号K_ed，⁻K_edに基づいて、以下の式（６）により、d軸の誘起電圧係数K_edの脈動成分ΔK_edを演算する。

----------------------------------------------------------------------- (6)

なお、誘起電圧設定部８からの信号K_eqには直流成分は含まれていないので、図７ではこの信号K_eqをq軸の誘起電圧係数K_eqの脈動成分ΔK_eqとしている。

上記のd軸の誘起電圧係数K_edの脈動成分ΔK_edおよびq軸の誘起電圧係数K_eqの脈動成分ΔK_eqと、誘起電圧設定部８から出力されたd軸の誘起電圧係数K_edの脈動成分の振幅値⁻ΔK_edおよびq軸の誘起電圧係数K_eqの脈動成分の振幅値⁻ΔK_eqは、電流補正指令演算部９ｂに入力される。電流補正指令演算部９ｂは、入力されたこれらの値に基づいて、以下の式（７）により、d軸およびq軸の電流補正指令値ΔI_d ^*，ΔI_q ^*を演算する。

--------------------------------------------------------------------- (7)

式（７）において、次数nは無限大が理想的ではあるが、実際は、n=3程度でも十分な効果を得ることができる。また、式（７）において、Gは比例ゲインである。この比例ゲインGの値を調整することにより、後で説明するように、トルクリプルのリプル成分と直流成分とを所定の関係で任意に制御することが可能となる。

次に、本発明の特徴となるトルクリプル抑制演算部９の原理について説明する。d−q軸上のモータ・トルクτ_mは、以下の式（８）により求められる。

------------------------------------------- (8)

式（８）において、P_mはモータの極対数、L_dはd軸のインダクタンス値、L_qはq軸のインダクタンス値をそれぞれ表す。

また、d軸およびq軸の誘起電圧係数K_ed、K_eqは、これらの脈動成分ΔK_ed，ΔK_eqと、d軸の誘起電圧係数K_edの平均値⁻K_edとにより、以下の式（９）のように表すことができる。

----------------------------------------------------------------------- (9)

一方、d軸およびq軸の電流I_d、I_qの脈動成分をそれぞれΔI_d，ΔI_qと表し、平均値をそれぞれ⁻I_d，⁻I_qと表すと、I_d、I_qは以下の式（１０）のように表すことができる。

-------------------------------------------------------------------------- (10)

上記の式（９）、（１０）を、モータ・トルク式である式（８）に代入すると、以下の式（１１）が導かれる。

--------------------------------(11)

非突極型モータでは、L_d= L_qの関係が成り立つため、式（１１）を以下の式（１２）のように変形することができる。

---------------------------------(12)

ここで、磁石モータ１の交流電流i_u，i_v，i_wを正弦波状に制御した場合について考える。このとき、I_d = 0（ΔI_d = ⁻I_d = 0）、I_q = I_q ^*（ΔI_q = 0）で、理想的な電流制御が行えるとすると、式（１２）を以下の式（１３）のように書き換えることができる。

--------------------------------------------------------------(13)

また、モータ・トルクには電気角の6次調波成分が重畳しているので、d軸の誘起電圧係数K_edの脈動成分ΔK_edは、以下の式（１４）のように定義することができる。

---------------------------------------------------------------------(14)

式（１４）を式（１３）に代入すると、以下の式（１５）が導かれる。

------------------------------------------------------(15)

図８は、式（１５）で表されるトルクの制御特性を示す。この制御特性は、本発明による抑制補償を行わずに磁石モータ１を駆動制御した場合のトルク特性、すなわち、トルクリプル抑制演算部９からの電流補正指令値ΔI_d ^*，ΔI_q ^*を電流指令値I_d0 ^*，I_q0 ^*に加算しない場合に電流制御演算部１０から出力される電圧指令値を用いて磁石モータ１を駆動制御したときのトルク特性を表している。図８において、u相の電流i_uは正弦波であるが、ΔK_edが原因でトルク脈動（トルクリプル）が20%(±10%)発生していることが分かる。

次に、トルクリプル抑制方法について説明する。トルクリプル抑制演算部９において、q軸の脈動電流指令値ΔI_q ^*は、以下の式（１６）により演算される。

----(16)

式（１６）において、次数nは1以上の整数である。一例として３次の項までを考慮してみると、式（１６）から以下の式（１７）が得られる。

---------------------------------------------(17)

式（１７）を前述の式（１２）に代入すると、モータ・トルクτ_mを以下の式（１８）により表すことができる。

---(18)

式（１８）において、脈動トルク成分の大きさは、以下の式（１９）により表すことができる。

--------------------------------------------------------------------(19)

つまり、脈動トルク成分をほぼ零にすることができる。

しかし、上記のように脈動トルク成分をほぼ零にするだけでは、直流的なトルクの増減はない。そこで、d軸の脈動電流指令値ΔI_d ^*により、直流トルク成分を確保する。具体的には、以下の式（２０）によりΔI_d ^*を演算する。

------------------------------------------------------------(20)

前述の式（１８）を求めたのと同様に、式（１７）と式（２０）を式（１２）に代入すると、モータ・トルクτ_mを表す以下の式（２１）が得られる。

----------(21)

前述の式（１９）の関係により、式（２１）を以下の式（２２）のように書き換えることができる。

------------------------------(22)

式（２２）において、比例ゲインGの値を任意に設定することにより、12次調波の脈動トルク成分の波高値(p−p)すなわち振幅の1/2の大きさの分だけ、直流トルク成分を増加することができる。このようなトルクリプル抑制補償を行った場合のトルク特性を図９に示す。本抑制補償により、図９に示すように、図８の抑制補償なし時の特性と比べて、6次調波成分を大幅に低減することができる。また、磁石モータ１における12次調波の脈動トルク成分の振幅Δτ_m12の略1/2の大きさの分だけ直流トルク成分を増加させることができる。すなわち、比例ゲインGを調整することで、トルクリプルのリプル成分と直流成分とを任意に制御することができる。その結果、トルクリプルの直流成分を有効に使うことができる。

−第２の実施の形態−
図１０は、本発明の第２の実施の形態による永久磁石モータのトルクリプル抑制制御装置の構成例を示す。前述の第１の実施形態では、電流制御演算部１０において比例・積分演算を用いた方式を採用した例を説明したが、本実施形態では、トルクリプルの周波数成分に感度を持つ脈動外乱電流制御演算を付加した例を以下に説明する。

図１に示した第１の実施の形態では、電流制御演算部１０において設定される式（３）に示した各制御ゲインK_pd，K_id，K_pq，K_iqの値が小さい場合、高速領域において電流指令値への追従性が劣化するという問題がある。たとえば、電流制御演算部１０に安価なマイコンを使用すると、制御演算周期が数msとなってしまうため、電流制御の応答周波数は数十Hz程度に制限されてしまう。

図１１は、永久磁石モータ１の回転数が高速領域にある際のd軸およびq軸の各電流情報I_d ^*，I_dc，I_q ^*，I_qcとu相の交流電流i_ucの動作波形を示す。図１１により、モータの回転数が高速領域では、電流検出値I_dc，I_qcが電流指令値I_d ^*，I_q ^*に追従していない様子が分かる。この結果、第１の実施の形態で説明したような抑制補償を行った場合でも、トルクリプルが再び増大してしまう。

そこで、本実施形態では、トルクリプルの周波数成分に感度を持つ脈動外乱電流制御演算を付加した制御を図１０に示すトルクリプル抑制制御装置により行う。このトルクリプル抑制制御装置は、図１の電流制御演算部１０に代わる電流制御演算部１０´を備えている。なお、これ以外の部分は、図１のものと同一である。

電流制御演算部１０´は、図２に示す電流制御演算とは別に、トルクリプルの周波数成分に感度を持つ電流制御演算を行い、その出力値を図２に示す電流制御演算の出力に加算して、d軸およびq軸の電圧指令値V_dc ^**，V_qc ^**を出力する。

図１２を用いて、電流制御演算部１０´を説明する。電流制御演算部１０´において、d軸の脈動外乱電流制御演算部１０´aは、入力されたd軸の電流偏差ΔI_d（=I_d ^*−I_dc）に基づいて、トルクリプルの周波数成分と同じ成分値を抑制する信号ΔV_dc ^*を出力する。また、q軸の脈動外乱電流制御演算部１０´bは、入力されたq軸の電流偏差ΔI_q（=I_q ^*−I_qc）に基づいて、トルクリプルの脈動周波数成分と同じ成分値を抑制する信号ΔV_qc ^*を出力する。電流制御演算部１０´は、これらの信号ΔV_dc ^*，ΔV_qc ^*をd軸およびq軸の電圧指令値V_dc ^*，V_dc ^*にそれぞれ加算して、新しい電圧指令値V_dc ^**，V_dc ^**を出力する。

次に、図１３を用いて、d軸の脈動外乱電流制御演算部１０´aの構成を説明する。d軸の脈動外乱電流制御演算部１０´aにおいて、余弦信号発生部１０´ａ２と正弦信号発生部１０´ａ３には、位置検出器５からの位置検出値θ_dcと、定数発生部１０´ａ１からの定数Nとがそれぞれ入力される。この入力された位置検出値θ_dcと定数Nにより、余弦信号発生部１０´ａ２および正弦信号発生部１０´ａ３から、余弦信号cos(N・θ_dc)、正弦信号sin(N・θ_dc)がそれぞれ出力される。これらの各信号には、d軸の電流偏差ΔI_dが乗じられる。その後さらに、定数乗算部１０´ａ４，１０´ａ５において定数K_dがそれぞれ乗じられる。この余弦信号cos(N・θ_dc)、正弦信号sin(N・θ_dc)にd軸の電流偏差ΔI_dおよび定数K_dをそれぞれ乗算した値は、もう一度余弦信号cos(N・θ_dc)、正弦信号sin(N・θ_dc)がそれぞれに乗じられた後、互いに加算される。この加算値を２倍した値が、d軸の脈動補償値ΔV_dc ^*として、d軸の脈動外乱電流制御演算部１０´aから出力される。

次に、図１４を用いて、q軸の脈動外乱電流制御演算部１０´ｂの構成を説明する。q軸の脈動外乱電流制御演算部１０´ｂにおいて、余弦信号発生部１０´ｂ２と正弦信号発生部１０´ｂ３には、位置検出器５からの位置検出値θ_dcと、定数発生部１０´ｂ１からの定数Nとがそれぞれ入力される。この入力された位置検出値θ_dcと定数Nにより、余弦信号発生部１０´ｂ２、正弦信号発生部１０´ｂ３から、図１３の場合と同様に、余弦信号cos(N・θ_dc)、正弦信号sin(N・θ_dc)がそれぞれ出力される。これらの各信号には、q軸の電流偏差ΔI_qが乗じられる。その後さらに、定数乗算部１０´ｂ４，１０´ｂ５において定数K_qがそれぞれ乗じられる。この余弦信号cos(N・θ_dc)、正弦信号sin(N・θ_dc)にq軸の電流偏差ΔI_qおよび定数K_qをそれぞれ乗算した値は、図１３の場合と同様に、もう一度余弦信号cos(N・θ_dc)、正弦信号sin(N・θ_dc)がそれぞれに乗じられた後、互いに加算される。この加算値を２倍した値が、q軸の脈動補償値ΔV_qc ^*として、q軸の脈動外乱電流制御演算部１０´ｂから出力される。

ここからは、本発明の特徴となる上記の脈動電流制御演算部１０´a，１０´ｂについての原理説明を行う。ここでは、両者を代表して、脈動電流制御演算部１０´ｂについて説明する。脈動電流制御演算部１０´ｂでは、前述のように、余弦信号発生部１０´ｂ２と正弦信号発生部１０´ｂ３に、位置検出値θ_dcと、トルクの脈動周波数次数（電気周波数の一周期分に含まる１番大きな高調波成分の次数）を表す定数Nとがそれぞれ入力される。そして、余弦信号発生部１０´ｂ２と正弦信号発生部１０´ｂ３において、これらの乗算値(N・θ_dc)の余弦信号と正弦信号が演算される。

ここで、q軸の電流検出値I_qcに含まれる高調波成分ΔI_qripを、以下の式（２３）により定義する。

----------------------------------------------------------------(23)

式（２３）において、|ΔI_qrip|はN次高調波成分の振幅値である。

余弦信号発生部１０´ｂ２と正弦信号発生部１０´ｂ３の出力信号のそれぞれに対して、上記の式（２３）で定義される高調波成分の振幅値|ΔI_qrip|を乗じた演算結果をI_a1，I_b1とすると、これは以下の式（２４）により表される。

------------------------------------------------------(24)

式（２４）の信号I_a1，I_b1に、定数乗算部１０´ｂ４，１０´ｂ５において所定の比例ゲインK_qを乗じた結果をI_a2，I_b2とすると、これは以下の式（２５）により表される。

-----------------------------------------------(25)

次に、上記の式（２５）で求められた信号I_a2，I_b2を用いて、以下の式（２６）によりq軸の脈動補償値ΔV_qc ^*を演算する。

-----(26)

上記の式（２６）により、高調波成分ΔI_qripをゲインK_q倍した値で電圧値を補正することができることが分かる。

d軸についても同様の演算を行い、d軸の脈動補償値ΔV_dc ^*を演算する。これらの演算値ΔV_dc ^*，ΔV_qc ^*を、d軸およびq軸の電圧指令値V_dc ^*，V_qc ^*にそれぞれ加算して、インバータの出力電圧を制御する。これにより、トルクリプルの周波数成分Nに感度を持つ脈動外乱電流制御を行うことができる。

図１５に、本発明を用いた場合の制御特性を示す。上記のようなトルクリプル抑制補償を追加することにより、図１１に示した抑制補償なし時の特性と比べて、モータの回転数が高速領域においても、電流検出値I_dc，I_qcが電流指令値I_d ^*，I_q ^*に精度良く追従している様子がわかる。つまり、高速領域においてもトルク脈動を抑制することが可能となる。

なお、以上説明した第２の実施の形態において、d軸の脈動補償値ΔV_dc ^*とq軸の脈動補償値ΔV_qc ^*のいずれか一方のみを電流制御演算部１０´において演算するようにしてもよい。すなわち、d軸の脈動外乱電流制御演算部１０´aとq軸の脈動外乱電流制御演算部１０´ｂのいずれか一方を有していなくてもよい。この場合、d軸またはq軸のうち脈動補償値の演算が行われない方は、第１の実施の形態と同様に、電圧指令値V_dc ^*またはV_dc ^*をそのまま電流制御演算部１０´から座標変換部１１へ出力する。

−第３の実施の形態−
図１６は、本発明の第３の実施の形態による永久磁石モータのトルクリプル抑制制御装置の構成例を示す。前述の第１および第２の実施形態では、参照テーブル８aにより誘起電圧係数の情報信号を出力する例を説明したが、本実施形態では、脈動外乱電流制御の出力値を用いて誘起電圧係数の情報信号の推定演算を行い、トルクリプル抑制補償演算に用いる例を以下に説明する。

図１６に示すトルクリプル抑制制御装置は、図１，１０の誘起電圧設定部８に代わる誘起電圧係数同定部８´を備えている。なお、これ以外の部分は、図１０のものと同一である。

誘起電圧係数同定部８´には、位置検出器５からの位置検出値θ_dcと、前述の第２の実施の形態で説明した電流制御演算部１０´におけるd軸、q軸の脈動外乱電流制御演算部１０´a、１０´ｂからの出力値ΔV_dc ^*，ΔV_qc ^*とが入力される。これらの入力値に基づいて、誘起電圧係数同定部８´は、第１の実施の形態で説明した誘起電圧係数の各情報K_ed，⁻K_ed，⁻ΔK_ed，K_eqおよび⁻ΔK_eqに対して、それぞれの推定値K_ed’，⁻K_ed’，⁻ΔK_ed’，K_eq’および⁻ΔK_eq’を出力する。

誘起電圧係数同定部８´の構成の一例を図１７に示す。図１７において、位置検出器５からの位置検出信号θ_dcは、微分演算部８´ａ１に入力される。微分演算部８´ａ１は、以下の式（２７）の演算を行い、モータの角速度演算値ω_dcを出力する。

----------------------------------------------------------------------(27)

上記のようにして微分演算部８´ａ１から出力された信号ω_dcは、脈動外乱電流制御演算部１０´aの出力値ΔV_dc ^*、または脈動外乱電流制御演算部１０´ｂの出力値ΔV_qc ^*のいずれかと共に、除算部８´ａ２、８´ａ３にそれぞれ入力される。除算部８´ａ２、８´ａ３は、入力された信号ω_dcと、ΔV_dc ^*またはΔV_qc ^*とに基づいて、d軸、q軸の誘起電圧係数の推定値K_ed^，K_eq^を以下の式（２８）によりそれぞれ演算する。

-------------------------------------------------------------------------(28)

除算部８´ａ２、８´ａ３においてそれぞれ演算された推定値K_ed^，K_eq^は、位置検出信号θ_dcと共にメモリ部８´ａ４に入力される。メモリ部８´ａ４は、予め記憶された誘起電圧係数の各情報K_ed，⁻K_ed，⁻ΔK_ed，K_eqおよび⁻ΔK_eqに関するデータに基づいて、入力された信号θ_dcに応じた推定値K_ed’，⁻K_ed’，⁻ΔK_ed’，K_eq’および⁻ΔK_eq’を出力する。

なお、メモリ部８´ａ４へのデータの記憶は、本装置の試運転時や調整時に行っても良い。あるいは、実運転中に行っても良い。いずれにしても、誘起電圧係数の各情報に関するデータをメモリ部８´ａ４へ記憶した後に、位置検出値θ_dcに応じて、それぞれの推定値K_ed’，⁻K_ed’，⁻ΔK_ed’，K_eq’および⁻ΔK_eq’を出力するようにすれば良い。

あるいは、上記のように誘起電圧係数の各情報K_ed，⁻K_ed，⁻ΔK_ed，K_eqおよび⁻ΔK_eqに関するデータを予め記憶しておく代わりに、実運転中に誘起電圧係数の各情報を抽出し、その信号を推定値K_ed’，⁻K_ed’，⁻ΔK_ed’，K_eq’および⁻ΔK_eqとして出力するようにしても良い。

図１８は、これを実現する誘起電圧係数同定部８´の構成の一例を示す。図１８において、位置検出器５からの位置検出信号θ_dcは微分演算部８´ｂ１に入力される。微分演算部８´ｂ１は、図１７の微分演算部８´ａ１と同様に、式（２７）の演算を行ってモータの角速度演算値ω_dcを出力する。この信号ω_dcは、脈動外乱電流制御演算部１０´aの出力値ΔV_dc ^*、または脈動外乱電流制御演算部１０´ｂの出力値ΔV_qc ^*のいずれかと共に、除算部８´ｂ２、８´ｂ３にそれぞれ入力される。除算部８´ｂ２、８´ｂ３は、図１７の除算部８´ａ２、８´ａ３と同様に、入力された信号ω_dcと、ΔV_dc ^*またはΔV_qc ^*とに基づいて、d軸、q軸の誘起電圧係数の推定値K_ed^，K_eq^を式（２８）によりそれぞれ演算する。

演算された推定値K_ed^，K_eq^は、誘起電圧係数情報抽出部８´ｂ４に入力される。誘起電圧係数情報抽出部８´ｂ４は、入力されたこれらの推定値に基づいて、誘起電圧係数の各情報の推定値K_ed’，⁻K_ed’，⁻ΔK_ed’，K_eq’および⁻ΔK_eq’を演算し、出力する。

図１９は、以上説明した第１〜第３いずれかの実施形態による永久磁石モータのトルクリプル抑制制御装置を車両の電動パワーステアリングシステムに対して適用した例を示す。図１９において、符号１０１はステアリングホイール、符号１０２はステアリングホイール１０１と機械的に接続されたステアリングシャフト、符号１０３はトルクセンサ、符号１０４は磁石モータ１とステアリングシャフト１０２を機械的に接続する減速機構、符号１０５はＥＣＵ（Engine Control Unit）、符号１０６はラックピニオン機構、符号１０７はタイロッドなどの連結機構、符号１０８は転舵輪をそれぞれ示す。ＥＣＵ１０５には、第１〜第３いずれかの実施形態による永久磁石モータのトルクリプル抑制制御装置が搭載されている。なお、直流電源３、電流検出部４および位置検出器５は、図１、１０および１６に示したものと同一である。

トルクセンサ１０３は、運転者のステアリングホイール１０１による転舵操作を検出する。ＥＣＵ１０５は、トルクセンサ１０３による転舵操作の検出結果に基づいて、前述のトルクリプル抑制制御装置が有する電流指令変換部７へトルク指令値τ^*を出力するトルク指令部を有している。これにより、得られたトルク指令値と出力トルクを一致させるように、トルクリプル抑制制御装置によって三相の電圧指令値が制御される。磁石モータ１は、減速機構１０４を介してステアリングシャフト１０２にアシスト力を加えることで、運転者のステアリングホイール１０１による転舵操作をアシストするものである。

ＥＣＵ１０５が有する永久磁石モータのトルクリプル抑制制御装置は、前述のようなトルクリプル抑制制御を行う。これにより、安価な誘起電圧が歪んでいる磁石モータ１を図１９の電動パワーステアリングシステムにおいて用いた場合でも、高精度なトルク制御を実現することが可能である。たとえば、磁石モータ１の低速領域ではトルクリプルのリプル成分の抑制に重点を置く一方で、高速領域では直流成分の確保に重点を置く設定が可能となる。その結果、運転者がステアリングホイール１０１をゆっくり転舵した場合などに滑らかな操舵フィーリングを得ることができる。また、磁石モータ１の高速領域においては、直流トルク成分を確保することにより、磁石モータ１を高出力化することができる。したがって、磁石モータ１を小型化することも可能となる。

−変形例−
以上説明した各実施の形態では、電流指令値I_d ^*，I_q ^*と電流検出値I_dc，I_qcに基づいて電圧指令値V_dc ^*，V_qc ^*を作成し、ベクトル制御を行う例を説明した。しかし、電流指令値I_d ^*，I_q ^*と電流検出値I_dc，I_qcに基づいて電圧補正値ΔV_d、ΔV_qを作成し、この電圧補正値と、電流指令値I_d ^*，I_q ^*、速度演算値ω_cdおよび磁石モータ１の定数とを用いて、以下の式（２９）に従って電圧指令値V_dc ^*，V_qc ^*を演算することによりベクトル制御を行う場合にも、本発明を適用することができる。

------------------------------------------- (29)

または、電流指令値I_d ^*，I_q ^*と電流検出値I_dc，I_qcから第２の電流指令値I_d ^**，I_q ^**を作成し、この第２の電流指令値を用いて以下の式（３０）に従ってベクトル制御を行う場合にも、本発明を適用することができる。

----------------------------------------------- (30)

あるいは、誘起電圧係数K_e ^*を用いた上記の式（２９）または（３０）の代わりに、以下の式（３１）または（３２）を用いてベクトル制御を行うこととしてもよい。このようにすれば、図１の電流制御演算部１０または図１０、１６の電流制御演算部１０´の負担を減らすことができるため、電流指令値への追従性が良くなることは明らかである。

------------------------------------------- (31)

----------------------------------------------- (32)

なお、上記の式（３１）、（３２）では、第１の実施の形態で説明した、予め設定された誘起電圧係数の情報K_ed，K_eqを使用している。しかし、これに代えて、第３の実施の形態で説明した誘起電圧係数の情報の推定値K_ed’， K_eq’を使用しても良い。

また、第１〜第３の実施の形態では、電流検出器４で直接検出した交流電流i_u〜i_wを用いる例を説明したが、電力変換器２の過電流検出用に取り付けているワンシャント抵抗に流れる直流電流から交流電流i_u〜i_wを再現しても良い。

さらに、第１〜第３の実施の形態では、エンコーダ、レゾルバ、磁極位置センサなどを用いた位置検出器５により磁石モータ１の回転位置を検出する例を説明したが、位置センサレス方式によりモータ制御を行う装置においても本発明を適用することができる。

たとえば、電圧指令値V_dc ^*，V_qc ^*と電流検出値I_dc，I_qcおよびモータ定数に基づいて、位相指令値とモータ位相値の偏差である位相誤差Δθcを以下の式（３３）により演算する。

---------------------------------------------- (33)

式（３３）によって演算される信号Δθcをゼロにするように、周波数推定値ω_dc´を制御することで、モータ制御を行うことができる。このような位置センサレス制御方式にも本発明を適用することができる。

なお、以上説明した各実施形態と変形例の一つ、もしくは複数を組み合わせることも可能である。変形例をどのように組み合わせることも可能である。

以上の説明はあくまで一例であり、本発明は上記実施形態の構成に何ら限定されるものではない。

１…磁石モータ、２…電力変換器、３…直流電源、４…電流検出器、
５…位置検出器、６…座標変換部、７…電流指令変換部、
８…誘起電圧係数設定部、８´…誘起電圧係数同定部、
９…トルクリプル抑制演算部、１０、１０´…電流制御演算部、１１…座標変換部

Claims (14)

1. 外部より入力されるトルク指令値に基づいて電流指令値を出力する電流指令変換部と、
   永久磁石モータの回転位置を検出して位置検出値を出力する位置検出器と、
   前記永久磁石モータの電流を検出して電流検出値を出力する電流検出部と、
   前記位置検出値に基づいて前記永久磁石モータの誘起電圧係数に関する情報信号を出力する誘起電圧係数設定部と、
   前記情報信号および予め設定された比例ゲインに基づいて前記永久磁石モータの電流補正指令値を出力するトルクリプル抑制演算部と、
   前記電流指令値および前記電流補正指令値の加算結果と、前記電流検出値とに基づいて、前記永久磁石モータを駆動するための電圧指令値を出力する電流制御演算部と、
   前記電圧指令値に基づいて前記永久磁石モータを駆動するための電圧を出力する電力変換器とを備え、
   前記電流指令変換部は、前記永久磁石モータの回転座標系のｄ軸およびｑ軸の各電流指令値を出力し、
   前記誘起電圧係数設定部は、前記情報信号として、前記ｄ軸および前記ｑ軸の各誘起電圧係数と、前記ｄ軸および前記ｑ軸のいずれか少なくとも一方の誘起電圧係数の平均値および脈動成分の振幅値とを出力し、
   前記トルクリプル抑制演算部は、前記ｄ軸および前記ｑ軸の各電流補正指令値を出力し、
   前記電流制御演算部は、前記ｄ軸の電流指令値および前記ｄ軸の電流補正指令値の加算結果と、前記ｑ軸の電流指令値および前記ｑ軸の電流補正指令値の加算結果と、前記電流検出値とに基づいて、前記ｄ軸および前記ｑ軸の各電圧指令値を出力することを特徴とする永久磁石モータのトルクリプル抑制制御装置。
2. 請求項１に記載の永久磁石モータのトルクリプル抑制制御装置において、
   前記ｄ軸および前記ｑ軸の各電圧指令値を前記永久磁石モータの固定子座標系の三相の電圧指令値に変換する座標変換部をさらに備え、
   前記電力変換器は、前記三相の電圧指令値に基づいて前記電圧を出力することを特徴とする永久磁石モータのトルクリプル抑制制御装置。
3. 請求項１または２に記載の永久磁石モータのトルクリプル抑制制御装置において、
   前記ｄ軸および前記ｑ軸の各誘起電圧係数は前記位置検出値に応じてそれぞれ変化し、前記平均値および前記脈動成分の振幅値は前記位置検出値に関わらず一定であることを特徴とする永久磁石モータのトルクリプル抑制制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の永久磁石モータのトルクリプル抑制制御装置において、
   前記トルクリプル抑制演算部は、前記ｄ軸の誘起電圧係数の脈動成分および平均値に基づいて、前記ｑ軸の電流補正指令値を出力することを特徴とする永久磁石モータのトルクリプル抑制制御装置。
5. 請求項４に記載の永久磁石モータのトルクリプル抑制制御装置において、
   前記トルクリプル抑制演算部は、以下の式に基づいて前記ｑ軸の電流補正指令値ΔI_q ^*を出力することを特徴とする永久磁石モータのトルクリプル抑制制御装置。
   

   

   
   
   ただし、ｎは整数、ΔK_edは前記ｄ軸の誘起電圧係数の脈動成分、⁻K_edは前記ｄ軸の誘起電圧係数の平均値、⁻I_qは前記ｑ軸の電流の平均値をそれぞれ表す。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の永久磁石モータのトルクリプル抑制制御装置において、
   前記トルクリプル抑制演算部は、前記比例ゲインと、前記ｄ軸および前記ｑ軸の各誘起電圧係数の脈動成分の振幅値と、前記ｑ軸の誘起電圧係数の脈動成分と、前記ｄ軸の誘起電圧係数の平均値とに基づいて、前記ｑ軸の電流補正指令値を出力することを特徴とする永久磁石モータのトルクリプル抑制制御装置。
7. 請求項６に記載の永久磁石モータのトルクリプル抑制制御装置において、
   前記トルクリプル抑制演算部は、以下の式に基づいて前記ｄ軸の電流補正指令値ΔI_d ^*を出力することを特徴とする永久磁石モータのトルクリプル抑制制御装置。
   

   

   
   
   ただし、Gは比例ゲイン、⁻ΔK_edは前記ｄ軸の誘起電圧係数の脈動成分の振幅値、⁻ΔK_eqは前記ｑ軸の誘起電圧係数の脈動成分の振幅値、ΔK_eqは前記ｑ軸の誘起電圧係数の脈動成分、⁻K_edは前記ｄ軸の誘起電圧係数の平均値、⁻I_qは前記ｑ軸の電流の平均値をそれぞれ表す。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の永久磁石モータのトルクリプル抑制制御装置において、
   前記電流制御演算部は、
   前記位置検出値と前記永久磁石モータにおけるトルクの脈動周波数次数とに基づく脈動補償値を出力する脈動外乱電流制御演算部を含み、
   前記電流指令値および前記電流補正指令値の加算結果と前記電流検出値とに基づく第１の電圧指令値と、前記脈動補償値とを加算し、その加算結果を前記電圧指令値として出力することを特徴とする永久磁石モータのトルクリプル抑制制御装置。
9. 請求項８に記載の永久磁石モータのトルクリプル抑制制御装置において、
   前記脈動外乱電流制御演算部は、
   前記位置検出値と前記脈動周波数次数とに基づく正弦信号を発生する正弦信号発生部と、
   前記位置検出値と前記脈動周波数次数とに基づく余弦信号を発生する余弦信号発生部と、
   前記正弦信号に前記電流指令値と前記電流検出値との差分である電流偏差を乗算し、その乗算結果に定数を乗算し、その乗算結果にさらに前記正弦信号を乗算した第１の演算値を求める正弦演算部と、
   前記余弦信号に前記電流偏差を乗算し、その乗算結果に前記定数を乗算し、その乗算結果にさらに前記余弦信号を乗算した第２の演算値を求める余弦演算部と、
   前記第１の演算値と前記第２の演算値とを加算した値を２倍した値を前記脈動補償値として出力することを特徴とする永久磁石モータのトルクリプル抑制制御装置。
10. 請求項９に記載の永久磁石モータのトルクリプル抑制制御装置において、
    前記正弦信号発生部および前記余弦信号発生部は、前記位置検出値に前記脈動周波数次数を乗算した値の正弦値および余弦値を前記正弦信号および前記余弦信号としてそれぞれ出力することを特徴とする永久磁石モータのトルクリプル抑制制御装置。
11. 請求項８〜１０のいずれか一項に記載の永久磁石モータのトルクリプル抑制制御装置において、
    前記脈動外乱電流制御演算部は、前記永久磁石モータの回転座標系のｄ軸およびｑ軸のいずれか少なくとも一方について前記脈動補償値を出力し、
    前記電流制御演算部は、前記脈動外乱電流制御演算部により前記脈動補償値が出力された軸に対しては、前記第１の電圧指令値と前記脈動補償値との加算結果を前記電圧指令値として出力し、前記脈動外乱電流制御演算部により前記脈動補償値が出力されない軸に対しては、前記第１の電圧指令値を前記電圧指令値として出力することを特徴とする永久磁石モータのトルクリプル抑制制御装置。
12. 請求項８〜１１のいずれか一項に記載の永久磁石モータのトルクリプル抑制制御装置において、
    前記脈動外乱電流制御演算部は、前記永久磁石モータの回転座標系のｄ軸およびｑ軸の各脈動補償値を出力し、
    前記誘起電圧係数設定部は、前記位置検出値と、前記ｄ軸および前記ｑ軸の各脈動補償値とに基づいて、前記ｄ軸および前記ｑ軸の各誘起電圧係数に関する情報信号を出力することを特徴とする永久磁石モータのトルクリプル抑制制御装置。
13. 外部より入力されるトルク指令値に基づいて電流指令値を出力する電流指令変換部と、
    永久磁石モータの回転位置を検出して位置検出値を出力する位置検出器と、
    前記永久磁石モータの電流を検出して電流検出値を出力する電流検出部と、
    前記位置検出値に基づいて前記永久磁石モータの誘起電圧係数に関する情報信号を出力する誘起電圧係数設定部と、
    前記情報信号および予め設定された比例ゲインに基づいて前記永久磁石モータの電流補正指令値を出力するトルクリプル抑制演算部と、
    前記電流指令値および前記電流補正指令値の加算結果と、前記電流検出値とに基づいて、前記永久磁石モータを駆動するための電圧指令値を出力する電流制御演算部と、
    前記電圧指令値に基づいて前記永久磁石モータを駆動するための電圧を出力する電力変換器とを備え、
    前記電力変換器は、前記電流指令値に前記電流補正指令値を加算しない場合に前記電流制御演算部から出力される電圧指令値によって前記永久磁石モータを駆動した場合の直流トルクと比較して、前記永久磁石モータにおける１２次調波の脈動トルク成分の振幅の略１／２分だけ前記永久磁石モータの直流トルクを増加させることを特徴とする永久磁石モータのトルクリプル抑制制御装置。
14. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の永久磁石モータのトルクリプル抑制制御装置と、
    前記永久磁石モータと、
    減速機構を介して前記永久磁石モータと機械的に接続されるステアリングシャフトと、
    前記ステアリングシャフトと機械的に接続されるステアリングホイールと、
    前記ステアリングホイールを介して入力される操作を検出するトルクセンサと、
    前記トルクセンサによる前記操作の検出結果に基づいて前記トルク指令値を出力するトルク指令部とを備えることを特徴とする電動パワーステアリングシステム。
    

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