JP5493680B2 - モータ制御装置および電動パワーステアリング装置 - Google Patents
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Description
ω=(V−I×R)/k …(1)
ここで、Vはモータ端子間電圧であり、Iはモータ電流であり、Rはモータ抵抗(モータ端子間抵抗)であり、kは逆起電力定数である。
前記電動モータに流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電動モータに印加される電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電流検出手段により得られる電流検出値と前記電圧検出手段により得られる電圧検出値とに基づき、前記電動モータの回転速度を示す速度推定値を算出する推定値算出手段と、
前記電流検出手段によって検出される電流に対する前記電流検出値の位相遅れ量である電流位相遅れ量と前記電圧検出手段によって検出される電圧に対する前記電圧検出値の位相遅れ量である電圧位相遅れ量との差が低減されるように、当該電流位相遅れ量と当該電圧位相遅れ量の少なくとも一方を調整する位相調整手段と、
前記電流検出手段によって検出される電流の周波数と前記電圧検出手段によって検出される電圧の周波数との差が所定値以上であるときには前記位相調整手段による前記位相遅れ量の調整を禁止する調整禁止手段とを備えることを特徴とする。
前記電動モータの回転速度が0近傍の所定値以下か否かを判定する判定手段と、
前記電動モータに流れる電流と前記電動モータの抵抗との関係を電流−抵抗特性として保持する特性保持手段と、
前記判定手段により前記電動モータの回転速度が前記所定値以下であると判定されるときに前記電流検出手段および電圧検出手段により得られる電流検出値および電圧検出値から前記電動モータの抵抗値を算出する抵抗演算手段と、
前記抵抗演算手段により算出される抵抗値と当該抵抗値の算出に使用される前記電流検出値とに基づき前記電流−抵抗特性を更新する特性更新手段と、
前記判定手段による判定結果に基づき、前記電動モータの回転速度が前記所定値以下から前記所定値よりも大きい値へと変化する時点である回転開始検出時点よりも所定時間だけ遡った時点から当該回転開始検出時点までの期間において得られる前記電流検出値および電圧検出値から算出される抵抗値と当該抵抗値の算出に使用される前記電流検出値とが前記電流−抵抗特性の更新に使用されないように、前記抵抗演算手段により算出される抵抗値と当該抵抗値の算出に使用される前記電流検出値の前記特性更新手段における使用を制御するパラメータ制御手段とを更に備えることを特徴とする。
前記電動モータに流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電動モータに印加される電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電流検出手段により得られる電流検出値と前記電圧検出手段により得られる電圧検出値とに基づき、前記電動モータの回転速度を示す速度推定値を算出する推定値算出手段と、
前記電流検出手段によって検出される電流に対する前記電流検出値の位相遅れ量である電流位相遅れ量と前記電圧検出手段によって検出される電圧に対する前記電圧検出値の位相遅れ量である電圧位相遅れ量との差が低減されるように、当該電流位相遅れ量と当該電圧位相遅れ量の少なくとも一方を調整する位相調整手段と、
前記電動モータの回転速度が0近傍の所定値以下か否かを判定する判定手段と、
前記電動モータに流れる電流と前記電動モータの抵抗との関係を電流−抵抗特性として保持する特性保持手段と、
前記判定手段により前記電動モータの回転速度が前記所定値以下であると判定されるときに前記電流検出手段および電圧検出手段により得られる電流検出値および電圧検出値から前記電動モータの抵抗値を算出する抵抗演算手段と、
前記抵抗演算手段により算出される抵抗値と当該抵抗値の算出に使用される前記電流検出値とに基づき前記電流−抵抗特性を更新する特性更新手段と、
前記判定手段による判定結果に基づき、前記電動モータの回転速度が前記所定値以下から前記所定値よりも大きい値へと変化する時点である回転開始検出時点よりも所定時間だけ遡った時点から当該回転開始検出時点までの期間において得られる前記電流検出値および電圧検出値から算出される抵抗値と当該抵抗値の算出に使用される前記電流検出値とが前記電流−抵抗特性の更新に使用されないように、前記抵抗演算手段により算出される抵抗値と当該抵抗値の算出に使用される前記電流検出値の前記特性更新手段における使用を制御するパラメータ制御手段とを備えることを特徴とする。
前記抵抗演算手段は、
前記判定手段によって前記電動モータの回転速度が前記所定値以下であると判定されているときに前記電流検出手段および電圧検出手段により電流検出値および電圧検出値が得られる毎に当該電流検出値および電圧検出値から前記電動モータの抵抗値をリアルタイム抵抗値として算出するリアルタイム算出手段と、
前記判定手段によって前記電動モータの回転速度が前記所定値以下であると判定されているときに前記電流検出手段および電圧検出手段により順次得られる所定数または可変数の電流検出値および電圧検出値の各検出時点における当該電流検出値および電圧検出値から当該検出時点における前記電動モータの抵抗値を算出し、当該所定数または可変数の当該抵抗値についての平均値を抵抗平均値として算出すると共に、当該所定数または可変数の当該抵抗値の算出に用いた当該所定数または可変数の電流検出値についての平均値を電流平均値として算出する平均値算出手段とを含み、
前記特性更新手段は、前記抵抗平均値および前記電流平均値に基づき前記電流−抵抗特性を更新し、
前記推定値算出手段は、
前記リアルタイム抵抗値と前記電流検出手段により得られる電流検出値に前記電流−抵抗特性によって対応付けられる抵抗値であるIR特性抵抗値との差が所定の閾値以下であるときには、前記リアルタイム抵抗値を用いて前記速度推定値を算出し、
前記リアルタイム抵抗値と前記IR特性抵抗値との差が前記閾値よりも大きいときには、前記IR特性抵抗値を用いて前記速度推定値を算出することを特徴とする。
前記推定値算出手段は、下記の式により与えられるεthを前記閾値として使用することを特徴とする:
εth=ωermx・k/I
ここで、ωermxは、前記推定値算出手段によって算出されるべき速度推定値に相当する角速度の許容誤差量として予め設定された値を示し、kは、前記電動モータの逆起電力定数を示し、Iは、前記電流検出手段により得られる電流検出値を示す。
第1から第5の発明のいずれかに係るモータ制御装置を備え、
前記モータ制御装置は、前記ステアリング機構に操舵補助力を与える電動モータを駆動することを特徴とする。
図1は、本発明に係るモータ制御装置を用いた電動パワーステアリング装置の構成を、それに関連する車両の構成と共に示す概略図である。この電動パワーステアリング装置は、ブラシ付きモータ1、減速機2、トルクセンサ3、車速センサ4、および、モータ制御装置としての電子制御ユニット(ECU)5を備えたコラムアシスト型の電動パワーステアリング装置である。また、本発明に係るモータ制御装置は、モータ1の回転の有無を検出するためのセンサ(以下「回転センサ」という)7を備えているのが好ましく、図1に示す電動パワーステアリング装置には、回転センサ7としてホールセンサが設けられている。なお、この回転センサ7はホールセンサに限定されるものではなく、モータ1の回転に応じてパルス信号を発生させるものであればよい。また、モータ1の回転方向を検出する必要がないので、回転センサ7として低コストのセンサを使用することができる。さらに、この電動パワーステアリング装置では、舵角センサ(または操作角速度センサ)7hを備えている。ただし、これらの回転センサ7と舵角センサ7hのうち一方は省略することが可能である(詳細は後述)。
<2.1 モータ制御装置の構成>
図2は、本発明の一実施形態に係るモータ制御装置の構成を示すブロック図である。このモータ制御装置は、上記電動パワーステアリング装置において使用され、ECU5を用いて構成されており、ブラシ付きモータ1を駆動する。ECU5は、制御部10と駆動部20からなる。制御部10は、マイクロコンピュータ(以下「マイコン」と略称する)を用いて実現されている。駆動部20は、モータ駆動回路30、電流検出用抵抗35、PWM信号生成回路21、電圧検出回路24、および電流検出回路25を備えている。なお以下では、回転センサ7から出力されるパルス信号Pに基づき角速度推定部50内において保舵状態か否か(モータ1が停止しているか否か)が判定されるものとする。
<2.2.1 基本構成>
図3(a)は、本実施形態に対応する従来のモータ制御装置(以下「従来例」という)におけるモータ電圧Vaおよびモータ電流Iaの検出のためのフィルタ処理の構成を示すブロック図である。図2に示す電圧検出回路24は、その具体的な構成を捨象して、検出すべき電圧Vaである入力と検出信号Vsである出力との関係に着目すると、ハードウェアで実現されたフィルタ(以下「ハードフィルタ」という)と見なすことができる。したがって、角速度推定部での角速度推定値ωeの算出等に使用される電圧検出値Vmoは、図3(a)に示すように、検出すべき電圧Va(に相当する信号)が電圧検出回路24に対応するハードフィルタ24fとソフトウェア的に実現されたフィルタであるソフトフィルタ18pとを順に通過した後に得られることになる。同様に、図2に示す電流検出回路25は、その具体的な構成を捨象して、検出すべき電流Ia(に相当する信号)である入力と検出信号Isである出力との関係に着目すると、ハードウェアで実現されたフィルタと見なすことができる。したがって、角速度推定部での角速度推定値ωeの算出等に使用される電流検出値Imoは、図3(a)に示すように、検出すべき電流Ia(に相当する信号)が電流検出回路25に対応するハードフィルタ25fとソフトフィルタ19pとを順に通過した後に得られることになる。
Gv(s)=1/(1+Tv・s) …(2)
Gi(s)=1/(1+Ti・s) …(3)
なお、時間関数としてのIa,Va,Imo,Vmoのラプラス変換をそれぞれIA(s),VA(s),IMO(s),VMO(s)とすると、
VMO(s)=Gv(s)・VA(s) …(4)
IMO(s)=Gi(s)・IA(s) …(5)
である。上記の伝達関数Gv(s)およびGi(s)の周波数特性は図5のボード線図に示す通りである。
Gd(s)=(1+Ti・s)/(1+Tv・s) …(6)
なお、時間関数としてのImのラプラス変換をIM(s)とすると、
IM(s)=Gd(s)・IMO(s) …(7)
である。上記式(6)の伝達関数Gd(s)の周波数特性は図6に示す通りである。
IM(s)/IA(s)=Gd(s)・Gi(s)
=1/(1+Tv・s)
であり、VM(s)=VMO(s)を考慮すると、電流検出の伝達関数IM(s)/IA(s)と電圧検出の伝達関数VM(s)/VA(s)=Gv(s)とは同一になる。なお、伝達関数Gd(s)・Gi(s)の周波数特性は、図7のボード線図に示す通りであり、図5のボード線図に示す伝達関数Gv(s)の周波数特性と一致する。
Ga(s)=(1+Tv・s)/(1+Ti・s)
上記のように本実施形態の基本構成(図3(b)、図4(b))によれば、電圧検出の伝達関数VM(s)/VA=Gv(s)と電流検出の伝達関数IM(s)/IA(s)=Gd(s)・Gi(s)とが一致するので、電圧検出値Vmと電流検出値Imとの位相ずれが解消され、両者の同時性が向上する。しかし、これらの伝達関数Gv(s)とGd(s)・Gi(s)は図5と図7に示すような周波数特性を有している。このため、検出すべき電圧Vaの周波数と検出すべき電流Iaの周波数との差が大きい場合には、その周波数差に起因して生じる電圧検出と電流検出の間での位相やゲインの相違が不具合を引き起こし、状況によっては位相遅れ要素19dの導入により電圧および電流検出の同時性が低下したり後述の式(9)による抵抗値算出の精度が低下したりする可能性もある。
図10は、本実施形態における角速度推定部50の機能的な構成を示すブロック図である。この角速度推定部50は、図10に示すように、保舵判定部51、抵抗値算出部52、平均値算出部53、FIFOメモリ53B、マップ更新部54、マップ保持部55、および、角速度推定値算出部56を備えている。上記の電圧検出回路24および電流検出回路25による検出結果は、上記のフィルタ18,19をそれぞれ介し電圧検出値Vmおよび電流検出値Imとして、抵抗値算出部52および角速度推定値算出部56に入力される。
ω=(V−I×R)/k …(8)
ここで、Vはモータ電圧(端子間電圧)であり、Iはモータ電流であり、Rはモータ抵抗(端子間抵抗)であり、kは逆起電力定数である。したがって、上記の電圧検出値Vmおよび電流検出値Imに加えて、モータ抵抗Rの値がわかれば、角速度ωを算出することができる(本実施形態では逆起電力定数kは既知とする)。
R=V/I …(9)
そこで抵抗値算出部52は、回転状態信号Stが保舵状態を示している間、角速度ω=0とみなし、上記式(3)にV=Vm、I=Imを代入することによりモータ抵抗Rの値を制御周期毎に算出する(以下、この値を「算出抵抗値Rc」という)。このようにして得られる算出抵抗値Rc(=Vm/Im)とその算出に使用した電流検出値Im(以下「算出時電流値Ic」という)は、平均値算出部53に入力される。なお既述のように、制御周期とは、モータ1に流すべき電流の目標値Itを算出する周期をいう。
次に、角速度推定値算出部56の構成例について説明する。以下では、上記式(8)による角速度推定値ωeの算出に使用する抵抗値Rを、抵抗マップを参照して得られる抵抗値Rmと現時点の電流検出値Imおよび電圧検出値Vmから算出される抵抗値R=Vm/Imとの間で適宜切り替えるものとする。
モータ1が回転していない場合(保舵状態の場合)には、角速度ωは0であるので、現時点の電圧検出値Vmおよび電流検出値Imから式(9)より抵抗値Rr=Vm/Imをリアルタイムで算出することにより、精度良くモータ抵抗値を取得することができる(以下、このようにして算出される抵抗値Rrを「リアルタイム抵抗値Rr」という)。しかし、モータ1が回転を開始すると(舵が動き出すと)、式(8)よりR=(V−k・ω)/Iであることから、上記式(9)より算出されるリアルタイム抵抗値Rrには、k・ω/Iに相当する誤差が含まれる。そこで、本実施形態における角速度推定部50内の角速度推定値算出部56の第1の構成例では、上記のリアルタイム抵抗値Rrと抵抗マップを参照して得られるモータ抵抗値(以下「IR特性抵抗値」という)Rmとの差(|Rr−Rm|)が所定値ε1(>0)以下であるときには、リアルタイム抵抗値Rrを用いて角速度推定値ωeを算出し、当該差が所定値ε1よりも大きいときには、IR特性抵抗値Rmを用いて角速度推定値ωeを算出する。なお、所定値ε1(>0)は、上記誤差や抵抗マップの精度および更新頻度を考慮して実験またはシミュレーション等に基づき予め適切な値が設定される。
図15は、本実施形態における角速度推定部50内の角速度推定値算出部56の第2の構成例を示すブロック図である。この第2の構成例による角速度推定値演算部56は、上記第1の構成例と同様に、除算器561、差分器562、判定器564、選択器566、および角速度演算器568を備えている。また、これに加えて上記操舵トルクTsを時間微分してトルク微分値dTs/dtを求める微分器563を備えていてもよい。
εth=k・ωermx/Im …(10)
すなわち、ΔR≦εthであればSd=0となり、選択器566は、リアルタイム抵抗値Rrを選択し、これを選択抵抗値Rsとして出力する。一方、ΔR>εthであればSd=1となり、選択器566は、IR特性抵抗値Rmを選択し、これを選択抵抗値Rsとして出力する。なお、電流検出値Imが0近傍の値である場合には、式(10)により適切な閾値εthを決定することはできない。そこで、電流検出値Imの絶対値が0近傍の所定値εi(>0)よりも小さい場合には、式(10)で与えられるεthに代えて、第1の構成例における所定値ε1(正の固定値)を閾値εthとして使用する。第2の構成例における上記以外の構成は上記第1の構成例と同様であるので説明を省略する。
図16は、本実施形態における角速度推定部50の他の構成例を示すブロック図である。この構成例による角速度推定部50は、図10に示した構成例と同様、保舵判定部51、抵抗値算出部52、平均値算出部53、マップ更新部54、マップ保持部55、および、角速度推定値算出部56を備えており、当該角速度推定部50には、回転センサ7からパルス信号Pが入力されると共に、電圧検出回路24および電流検出回路25からフィルタ18,19をそれぞれ介して電圧検出値Vmおよび電流検出値Imが入力される。しかし、当該角速度推定部50は、図10の構成例とは異なり、FIFOメモリを備えていない。
上記実施形態では、抵抗マップの更新のために角速度推定部50内の平均値算出部53により抵抗平均値Ravおよび電流平均値Iavが求められる(図10、図12参照)。ここで、抵抗平均値Ravは、保舵期間に抵抗値算出部52から順次入力される所定数の算出抵抗値Rcについての平均値であり、電流平均値Iavは、同様にして制御周期毎に順次入力される所定数の算出時電流値Icについての平均値であるが、抵抗平均値Ravの算出に使用する算出抵抗値Rcの個数および電流平均値Iavの算出に使用する算出時電流値Icの個数を固定せずに可変数としてもよい。例えば、保舵期間が長い場合には、これらの抵抗平均値Ravおよび電流平均値Iavの算出にそれぞれ使用する算出抵抗値Rcおよび算出時電流値Icの個数を多くし、保舵期間が短い場合には、これらの抵抗平均値Ravおよび電流平均値Iavの算出にそれぞれ使用する算出抵抗値Rcおよび算出時電流値Icの個数を少なくしてもよい。このようにすれば、保舵期間が長くなるにしたがって、抵抗平均値Ravおよび電流平均値Iavの算出にそれぞれ使用する算出抵抗値Rcおよび算出時電流値Icの個数が多くなり、抵抗マップの更新の精度が向上するので、角速度推定値ωeの算出精度を高めることができる。
Claims (6)
- 電動モータの電機子巻線に生じる逆起電力に基づき当該電動モータの回転速度の推定値を算出し、当該推定値を用いて当該電動モータを駆動するモータ制御装置であって、
前記電動モータに流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電動モータに印加される電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電流検出手段により得られる電流検出値と前記電圧検出手段により得られる電圧検出値とに基づき、前記電動モータの回転速度を示す速度推定値を算出する推定値算出手段と、
前記電流検出手段によって検出される電流に対する前記電流検出値の位相遅れ量である電流位相遅れ量と前記電圧検出手段によって検出される電圧に対する前記電圧検出値の位相遅れ量である電圧位相遅れ量との差が低減されるように、当該電流位相遅れ量と当該電圧位相遅れ量の少なくとも一方の位相遅れ量を調整する位相調整手段と、
前記電流検出手段によって検出される電流の周波数と前記電圧検出手段によって検出される電圧の周波数との差が所定値以上であるときには前記位相調整手段による前記位相遅れ量の調整を禁止する調整禁止手段とを備えることを特徴とする、モータ制御装置。 - 前記電動モータの回転速度が0近傍の所定値以下か否かを判定する判定手段と、
前記電動モータに流れる電流と前記電動モータの抵抗との関係を電流−抵抗特性として保持する特性保持手段と、
前記判定手段により前記電動モータの回転速度が前記所定値以下であると判定されるときに前記電流検出手段および電圧検出手段により得られる電流検出値および電圧検出値から前記電動モータの抵抗値を算出する抵抗演算手段と、
前記抵抗演算手段により算出される抵抗値と当該抵抗値の算出に使用される前記電流検出値とに基づき前記電流−抵抗特性を更新する特性更新手段と、
前記判定手段による判定結果に基づき、前記電動モータの回転速度が前記所定値以下から前記所定値よりも大きい値へと変化する時点である回転開始検出時点よりも所定時間だけ遡った時点から当該回転開始検出時点までの期間において得られる前記電流検出値および電圧検出値から算出される抵抗値と当該抵抗値の算出に使用される前記電流検出値とが前記電流−抵抗特性の更新に使用されないように、前記抵抗演算手段により算出される抵抗値と当該抵抗値の算出に使用される前記電流検出値の前記特性更新手段における使用を制御するパラメータ制御手段とを更に備えることを特徴とする、請求項1に記載のモータ制御装置。 - 電動モータの電機子巻線に生じる逆起電力に基づき当該電動モータの回転速度の推定値を算出し、当該推定値を用いて当該電動モータを駆動するモータ制御装置であって、
前記電動モータに流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電動モータに印加される電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電流検出手段により得られる電流検出値と前記電圧検出手段により得られる電圧検出値とに基づき、前記電動モータの回転速度を示す速度推定値を算出する推定値算出手段と、
前記電流検出手段によって検出される電流に対する前記電流検出値の位相遅れ量である電流位相遅れ量と前記電圧検出手段によって検出される電圧に対する前記電圧検出値の位相遅れ量である電圧位相遅れ量との差が低減されるように、当該電流位相遅れ量と当該電圧位相遅れ量の少なくとも一方の位相遅れ量を調整する位相調整手段と、
前記電動モータの回転速度が0近傍の所定値以下か否かを判定する判定手段と、
前記電動モータに流れる電流と前記電動モータの抵抗との関係を電流−抵抗特性として保持する特性保持手段と、
前記判定手段により前記電動モータの回転速度が前記所定値以下であると判定されるときに前記電流検出手段および電圧検出手段により得られる電流検出値および電圧検出値から前記電動モータの抵抗値を算出する抵抗演算手段と、
前記抵抗演算手段により算出される抵抗値と当該抵抗値の算出に使用される前記電流検出値とに基づき前記電流−抵抗特性を更新する特性更新手段と、
前記判定手段による判定結果に基づき、前記電動モータの回転速度が前記所定値以下から前記所定値よりも大きい値へと変化する時点である回転開始検出時点よりも所定時間だけ遡った時点から当該回転開始検出時点までの期間において得られる前記電流検出値および電圧検出値から算出される抵抗値と当該抵抗値の算出に使用される前記電流検出値とが前記電流−抵抗特性の更新に使用されないように、前記抵抗演算手段により算出される抵抗値と当該抵抗値の算出に使用される前記電流検出値の前記特性更新手段における使用を制御するパラメータ制御手段とを備えることを特徴とする、モータ制御装置。 - 前記抵抗演算手段は、
前記判定手段によって前記電動モータの回転速度が前記所定値以下であると判定されているときに前記電流検出手段および電圧検出手段により電流検出値および電圧検出値が得られる毎に当該電流検出値および電圧検出値から前記電動モータの抵抗値をリアルタイム抵抗値として算出するリアルタイム算出手段と、
前記判定手段によって前記電動モータの回転速度が前記所定値以下であると判定されているときに前記電流検出手段および電圧検出手段により順次得られる所定数または可変数の電流検出値および電圧検出値の各検出時点における当該電流検出値および電圧検出値から当該検出時点における前記電動モータの抵抗値を算出し、当該所定数または可変数の当該抵抗値についての平均値を抵抗平均値として算出すると共に、当該所定数または可変数の当該抵抗値の算出に用いた当該所定数または可変数の電流検出値についての平均値を電流平均値として算出する平均値算出手段とを含み、
前記特性更新手段は、前記抵抗平均値および前記電流平均値に基づき前記電流−抵抗特性を更新し、
前記推定値算出手段は、
前記リアルタイム抵抗値と前記電流検出手段により得られる電流検出値に前記電流−抵抗特性によって対応付けられる抵抗値であるIR特性抵抗値との差が所定の閾値以下であるときには、前記リアルタイム抵抗値を用いて前記速度推定値を算出し、
前記リアルタイム抵抗値と前記IR特性抵抗値との差が前記閾値よりも大きいときには、前記IR特性抵抗値を用いて前記速度推定値を算出することを特徴とする、請求項2または3に記載のモータ制御装置。 - 前記推定値算出手段は、下記の式により与えられるεthを前記閾値として使用することを特徴とする、請求項4に記載のモータ制御装置:
εth=ωermx・k/I
ここで、ωermxは、前記推定値算出手段によって算出されるべき速度推定値に相当する角速度の許容誤差量として予め設定された値を示し、kは、前記電動モータの逆起電力定数を示し、Iは、前記電流検出手段により得られる電流検出値を示す。 - 車両のステアリング機構に電動モータによって操舵補助力を与える電動パワーステアリング装置であって、
請求項1から5のいずれか1項に記載のモータ制御装置を備え、
前記モータ制御装置は、前記ステアリング機構に操舵補助力を与える電動モータを駆動することを特徴とする、電動パワーステアリング装置。
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