JP5505681B2 - 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、車両用操舵装置の駆動源として使用可能である。車両用操舵装置の一例は、電動パワーステアリング装置である。

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、一般的には、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。しかし、レゾルバは、高価であり、配線数が多く、また、設置スペースも大きい。そのため、ブラシレスモータを備えた装置のコスト削減および小型化が阻害されるという課題がある。

そこで、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が提案されている。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。ロータ停止時および極低速回転時には、誘起電圧を推定できないので、別の方式で磁極の位相が推定される。具体的には、ステータに対してセンシング信号を注入し、このセンシング信号に対するモータの応答が検出される。このモータ応答に基づいて、ロータ回転位置が推定される。
特開2007-267549号公報

上記のセンサレス駆動方式は、誘起電圧やセンシング信号を用いてロータの回転位置を推定し、その推定によって得られた回転位置に基づいてモータを制御するものである。しかし、この駆動方式は、いずれの用途にも適しているわけではなく、たとえば、車両の舵取り機構に操舵補助力を与える電動パワーステアリング装置の駆動源として用いられるブラシレスモータの制御に適用するための手法は未だ確立されていない。そのため、別の方式によるセンサレス制御の実現が望まれている。

そこで、この発明の目的は、回転角センサを用いない新たな制御方式でモータを制御する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（３）を、前記ロータの回転角を検出するための回転角センサの検出値を用いずに制御するためのモータ制御装置であって、前記モータの駆動対象に働くトルクを検出するトルク検出手段（１）と、前記駆動対象に働かせるべき指示トルクを設定する指示トルク設定手段（２１）と、制御上の回転角である制御角（θ_C）に従う回転座標系の軸電流値（Ｉ_γ ^*）で前記モータを駆動する電流駆動手段（３１〜３６）と、前記指示トルク設定手段によって設定される指示トルクと前記トルク検出手段によって検出されるトルクとの偏差に応じて、前記制御角に加算すべき加算角を演算する加算角演算手段（２２，２３）と、所定の演算周期毎に、制御角の前回値に前記加算角演算手段によって演算される加算角（α）を加算することによって制御角の今回値を求める制御角演算手段（２６）と、前記加算角を所定の制限値に基づいて制限するための制限手段（２４）と、前記制限値を変更する制限値変更手段（２８）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、制御角に従う回転座標系（γδ座標系。以下「仮想回転座標系」といい、この仮想回転座標系の座標軸を「仮想軸」という。）の軸電流値（以下「仮想軸電流値」という。）によってモータが駆動される一方で、制御角は、演算周期毎に加算角を加算することによって更新される。これにより、制御角を更新しながら、すなわち、仮想回転座標系の座標軸（仮想軸）を更新しながら、仮想軸電流値でモータを駆動することによって、必要なトルクを発生させることができる。こうして、回転角センサを用いることなく、モータから適切なトルクを発生させることができる。前記加算角は、指示トルクと検出トルクとの偏差に応じて演算され、モータが発生すべきトルクまたは前記仮想軸電流値に対する前記モータの応答に対応する値となる。

また、この発明では、前記加算角を所定の制限値に基づいて制限するための制限手段が備えられている。したがって、制限手段によって加算角に適切な制限を加えることにより、実際のロータの回転に比して過大な加算角が制御角に加算されることを抑制できる。より具体的には、ロータの回転速度範囲に対して妥当な範囲内で加算角が設定されるように制限を加えることによって、より適切にモータを制御することができる。

この発明では、さらに、前記制限値が変更されるようになっている。そのため、状況に応じた適切な制限値が可変設定されることになるから、モータをより適切に制御することができる。
前記制限手段は、たとえば、加算角の絶対値を前記制限値以下に制限するものであってもよい。

請求項２記載の発明は、前記モータの回転角速度を取得（検出または推定）する回転角速度取得手段（２７）をさらに含み、前記制限値変更手段は、前記回転角速度取得手段によって取得されるモータ回転角速度に応じて前記制限値を変更するものである、請求項１記載のモータ制御装置である。
制限値を大きく定めていると、加算角が制限手段による制限を受ける状態となったときに、制御周期毎の制御角の変化量が大きくなる。そのため、制御角が適値を飛び越えて変動する状態となるおそれがある。この場合には、加算角が制限手段による制限を受ける状態を脱するまでに長い時間を要し、したがって、制御角を適値に収束させるまでに長い時間が必要になるおそれがある。一方、制限値を小さく定めていると、モータが高速に回転しているときに、制御角の変化をモータの回転に追随させることができなくなり、必要なトルクを発生させることができなくなるおそれがある。したがって、一定の制限値を適用するとすれば、いずれかの問題に直面せざるを得ない。

そこで、この発明では、制限値を一定値とせず、モータ回転角速度に応じて制限値が変更される。そのため、モータの駆動状況に応じて適切な制限値を適用することができる。たとえば、モータ回転角速度が大きいほど制限値を大きくすればよい。これにより、モータ回転角速度が小さいときには比較的小さな制限値で加算角が制限される。したがって、制御角を必要なトルクに応じた適値に速やかに収束させることができる。一方、モータ回転角速度が大きいときには比較的大きな制限値となるので、モータの高速回転に追随するように制御角を変化させることができるから、モータから必要なトルクを発生させやすくなる。

請求項３記載の発明は、前記制限値変更手段は、時間（経過）に応じて前記制限値を変更するものである、請求項１記載のモータ制御装置である。制限値が一定値の場合には、加算角の絶対値が一定の制限値に固定されることになるから、制御角の変化量が一定値となる。そのため、有限個の制御角が循環的に設定されることになり、必要なトルクに対応した適切な制御角が設定されにくくなる。とくに、制限値が３６０度の約数（たとえば４５度）に設定される場合には、制御角は極めて制限された有限個の値のみをとり得るに過ぎない。そこで、この発明では、制限値を時間に応じて変更するようにしている。より具体的には、制限値を乱数を用いて定めたり、時間に対する関数を用いて定めたりすることができる。これにより、加算角が時間経過に応じて変動することになるので、制御角を所要のトルクに対応した適値へと導くことができる。

請求項４記載の発明は、前記制限値変更手段は、前記トルク検出手段によって検出されるトルクの変化量に応じて前記制限値を変更するものである、請求項１記載のモータ制御装置である。前述のとおり、制限値を大きく定めていると、加算角が制限手段による制限を受ける状態となったときに、その状態を脱するまでに長い時間を要し、制御角を適値に収束させるまでに長い時間が必要になるおそれがある。一方、制限値を小さく定めていると、モータの駆動対象に外力が働き、その外力を補償するために大きなトルクが必要になったときに、応答性が悪くなる。すなわち、必要トルクの急変に対応することができなくなる。

そこで、この発明では、モータの駆動対象に働くトルクの変化量（時間変化量）に応じて制限値を変動させるようにしている。これにより、トルク変動に応じた適切な制限値が可変設定されることになるから、制御角の収束性を犠牲にすることなく、必要な応答性能を確保できる。より具体的には、駆動対象に働くトルクの変化量が大きいほど制限値を大きくすればよい。これにより、駆動対象に働くトルク変動に追随できるように適切な制限値を設定できる。トルクの変化量としては、トルクの微分値を用いてもよいし、制御周期間の差分値やその移動平均値を用いてもよい。

請求項５記載の発明は、前記モータは、車両用操舵装置の駆動源として用いられるものであり、前記制限値変更手段は、車速に応じて前記制限値を変更するものである、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、モータは車両用操舵装置の駆動源として用いられる。そして、車速に応じて適切な制限値を設定することができる。停止時および極低速走行時には操舵角は比較的ゆっくりと変化し、極低速走行状態を脱した通常走行状態では、操舵角の変化速度は比較的大きくなる。したがって、車速に応じて制限値を変化させることによって、制限手段によって加算角の変化が制限されている状態から速やかに離脱させることができ、かつ、高速操舵時における応答性も確保することができる。より具体的には、車速が大きくなるほど制限値が大きくなるようにしておけばよい。これにより、停止時および極低速走行時のゆっくりとした操舵時には、制御角の変化幅が小さくなる。したがって、制御角は速やかに適値に収束する。その一方で、通常走行状態のときの比較的速い操舵時には制限値が比較的大きく設定されるから、制御角は大きな変化幅で変化することができる。これにより、速い操舵に対して制御角を追随させることができるから、必要なトルクを発生させることができる。

前記モータは、車両の舵取り機構（２）に駆動力を付与するものであってもよい。この場合に、前記トルク検出手段が、前記車両の操向のために操作される操作部材に加えられる操舵トルクを検出するものであり、前記指示トルク設定手段が、指示操舵トルクを設定する指示操舵トルク設定手段であることが好ましい。

この構成によれば、指示操舵トルクが設定され、この指示操舵トルクと操舵トルク（検出値）との偏差に応じて前記加算角が演算される。これにより、操舵トルクが当該指示操舵トルクとなるように加算角が定められ、それに応じた制御角が定められることになる。したがって、指示操舵トルクを適切に定めておくことによって、モータから適切な駆動力を発生させて、これを舵取り機構に付与することができる。すなわち、ロータの磁極方向に従う回転座標系（ｄｑ座標系）の座標軸と前記仮想軸とのずれ量（負荷角）が指示操舵トルクに応じた値に導かれる。その結果、適切なトルクがモータから発生され、運転者の操舵意図に応じた駆動力を舵取り機構に付与できる。

操作部材と舵取り機構とが機械的に結合された車両用操舵装置（たとえば、電動パワーステアリング装置）では、仮想軸電流値に対するモータの応答（モータが発生するトルク）は、検出操舵トルクの変化となって現れる。したがって、このような車両用操舵装置においては、検出操舵トルクに応じて加算角を演算することは、仮想軸電流値に対するモータの応答に応じて加算角を演算することになると言うこともできる。

前記モータ制御装置は、前記操作部材の操舵角を検出する操舵角検出手段（４）をさらに含み、前記指示操舵トルク設定手段は、前記操舵角検出手段によって検出される操舵角に応じて指示操舵トルクを設定するものであることが好ましい。この構成によれば、操作部材の操舵角に応じて指示操舵トルクが設定されるので、操舵角に応じた適切なトルクをモータから発生させることができ、運転者が操作部材に加える操舵トルクを操舵角に応じた値へと導くことができる。これにより、良好な操舵感を得ることができる。

前記回転角速度取得手段は、前記操舵角検出手段によって検出される操舵角に基づいてモータ回転角速度を演算するものであってもよい。また、前記回転角速度取得手段は、前記モータの印加電圧およびモータ電流に基づいて前記モータ回転角速度を演算するものであってもよい。
前記指示操舵トルク設定手段は、前記車両の車速を検出する車速検出手段（６）によって検出される当該車速に応じて指示操舵トルクを設定するものであってもよい。この構成によれば、車速に応じて指示操舵トルクが設定されるので、いわゆる車速感応制御を行うことができる。その結果、良好な操舵感を実現できる。たとえば、車速が大きいほど、すなわち、高速走行時ほど指示操舵トルクを小さく設定することより、すぐれた操舵感が得られる。

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（車両用操舵装置の一例）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、車両を操向するための操作部材としてのステアリングホイール１０に加えられる操舵トルクＴを検出するトルクセンサ１と、車両の舵取り機構２に減速機構７を介して操舵補助力を与えるモータ３（ブラシレスモータ）と、ステアリングホイール１０の回転角である操舵角を検出する舵角センサ４と、モータ３を駆動制御するモータ制御装置５と、当該電動パワーステアリング装置が搭載された車両の速度を検出する車速センサ６とを備えている。

モータ制御装置５は、トルクセンサ１が検出する操舵トルク、舵角センサ４が検出する操舵角および車速センサ６が検出する車速に応じてモータ３を駆動することによって、操舵状況および車速に応じた適切な操舵補助を実現する。
モータ３は、この実施形態では、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、このロータ５０に対向するステータ５５に配置されたＵ相、Ｖ相およびＷ相のステータ巻線５１，５２，５３とを備えている。モータ３は、ロータの外部にステータを対向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対向配置したアウターロータ型のものであってもよい。

各相のステータ巻線５１，５２，５３の方向にＵ軸、Ｖ軸およびＷ軸をとった三相固定座標（ＵＶＷ座標系）が定義される。また、ロータ５０の磁極方向にｄ軸（磁極軸）をとり、ロータ５０の回転平面内においてｄ軸と直角な方向にｑ軸（トルク軸）をとった二相回転座標系（ｄｑ座標系。実回転座標系）が定義される。ｄｑ座標系は、ロータ５０とともに回転する回転座標系である。ｄｑ座標系では、ｑ軸電流のみがロータ５０のトルク発生に寄与するので、ｄ軸電流を零とし、ｑ軸電流を所望のトルクに応じて制御すればよい。ロータ５０の回転角（ロータ角）θ_Mは、Ｕ軸に対するｄ軸の回転角である。ｄｑ座標系は、ロータ角θ_Mに従う実回転座標系である。このロータ角θ_Mを用いることによって、ＵＶＷ座標系とｄｑ座標系との間での座標変換を行うことができる。

一方、この実施形態では、制御上の回転角を表す制御角θ_Cが導入される。制御角θ_Cは、Ｕ軸に対する仮想的な回転角である。この制御角θ_Cに対応する仮想的な軸をγ軸とし、このγ軸に対して９０°進んだ軸をδ軸として、仮想二相回転座標系（γδ座標系。仮想回転座標系）を定義する。制御角θ_Cがロータ角θ_Mに等しいとき、仮想回転座標系であるγδ座標系と実回転座標系であるｄｑ座標系とが一致する。すなわち、仮想軸としてのγ軸は実軸としてのｄ軸と一致し、仮想軸としてのδ軸は実軸としてのｑ軸と一致する。γδ座標系は、制御角θ_Cに従う仮想回転座標系である。ＵＶＷ座標系とγδ座標系との座標変換は、制御角θ_Cを用いて行うことができる。

制御角θ_Cとロータ角θ_Mとの差を負荷角θ_L（＝θ_C−θ_M）と定義する。
制御角θ_Cに従ってγ軸電流Ｉ_γをモータ３に供給すると、このγ軸電流Ｉ_γのｑ軸成分（ｑ軸への正射影）がロータ５０のトルク発生に寄与するｑ軸電流Ｉ_qとなる。すなわち、γ軸電流Ｉ_γとｑ軸電流Ｉ_qとの間に、次式(1)の関係が成立する。
Ｉ_q＝Ｉ_γ・sinθ_L …(1)
再び図１を参照する。モータ制御装置５は、マイクロコンピュータ１１と、このマイクロコンピュータ１１によって制御され、モータ３に電力を供給する駆動回路（インバータ回路）１２と、モータ３の各相のステータ巻線に流れる電流を検出する電流検出部１３とを備えている。

電流検出部１３は、モータ３の各相のステータ巻線５１，５２，５３に流れる相電流Ｉ_U，Ｉ_V，Ｉ_W（以下、総称するときには「三相検出電流Ｉ_UVW」という。）を検出する。これらは、ＵＶＷ座標系における各座標軸方向の電流値である。
マイクロコンピュータ１１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、指示操舵トルク設定部２１と、トルク偏差演算部２２と、ＰＩ（比例積分）制御部２３と、リミッタ２４と、制御角演算部２６と、回転角速度演算部２７と、制限値設定部２８と、指示電流値生成部３１と、電流偏差演算部３２と、ＰＩ制御部３３と、γδ／ＵＶＷ変換部３４と、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御部３５と、ＵＶＷ／γδ変換部３６とが含まれている。

指示操舵トルク設定部２１は、舵角センサ４によって検出される操舵角と、車速センサ６によって検出される車速とに基づいて、指示操舵トルクＴ^*を設定する。たとえば、図４に示すように、たとえば、操舵角が正の値（右方向へ操舵した状態）のとき指示操舵トルクＴ^*は正の値（右方向へのトルク）に設定され、操舵角が負の値（左方向へ操舵した状態）のとき指示操舵トルクＴ^*は負の値（左方向へのトルク）に設定される。そして、操舵角の絶対値が大きくなるに従って、その絶対値が大きくなるように（図４の例では非線型に大きくなるように）指示操舵トルクＴ^*が設定される。ただし、所定の上限値（正の値。たとえば、＋６Ｎｍ）および下限値（負の値。たとえば−６Ｎｍ）の範囲内で指示操舵トルクＴ^*の設定が行われる。また、指示操舵トルクＴ^*は、車速が大きいほど、その絶対値が小さくなるように設定される。すなわち、車速感応制御が行われる。

トルク偏差演算部２２は、指示操舵トルク設定部２１によって設定される指示操舵トルクＴ^*とトルクセンサ１によって検出される操舵トルクＴ（以下、区別するために「検出操舵トルクＴ」という。）との偏差（トルク偏差）ΔＴを求める。ＰＩ制御部２３は、このトルク偏差ΔＴに対するＰＩ演算を行う。すなわち、トルク偏差演算部２２およびＰＩ制御部２３によって、検出操舵トルクＴを指示操舵トルクＴ^*に導くためのトルクフィードバック制御手段が構成されている。ＰＩ制御部２３は、トルク偏差ΔＴに対するＰＩ演算を行うことで、制御角θ_Cに対する加算角αを演算する。

リミッタ２４は、ＰＩ制御部２３によって求められた加算角αに対して制限を加える制限手段である。より具体的には、リミッタ２４は、制限値設定部２８によって設定される制限値に対応した上限値ＵＬ（正の値）および下限値ＬＬ（負の値）の間の値に加算角αを制限する。
この制限処理後の加算角αが、制御角演算部２６の加算器２６Ａにおいて、制御角θ_Cの前回値θ_C(n-1)（ｎは今演算周期の番号）に加算される（Ｚ^-1は信号の前回値を表す）。ただし、制御角θ_Cの初期値は予め定められた値（たとえば零）である。

制御角演算部２６は、制御角θ_Cの前回値θ_C(n-1)にリミッタ２４から与えられる加算角αを加算する加算器２６Ａを含む。すなわち、制御角演算部２６は、所定の演算周期毎に制御角θ_Cを演算する。そして、前演算周期における制御角θ_Cを前回値θ_C(n-1)とし、これを用いて今演算周期における制御角θ_Cである今回値θ_C(n)を求める。
指示電流値生成部３１は、制御上の回転角である前記制御角θ_Cに対応する仮想回転座標系であるγδ座標系の座標軸（仮想軸）に流すべき電流値を指示電流値として生成するものである。具体的には、γ軸指示電流値Ｉ_γ ^*およびδ軸指示電流値Ｉ_δ ^*（以下、これらを総称するときには「二相指示電流値Ｉ_γδ ^*という。）を生成する。指示電流値生成部３１は、γ軸指示電流値Ｉ_γ ^*を有意値とする一方で、δ軸指示電流値Ｉ_δ ^*を零とする。より具体的には、指示電流値生成部３１は、トルクセンサ１によって検出される検出操舵トルクＴに基づいてγ軸指示電流値Ｉ_γ ^*を設定する。

検出操舵トルクＴに対するγ軸指示電流値Ｉ_γ ^*の設定例は、図５に示されている。検出操舵トルクＴが零付近の領域には不感帯ＮＲが設定されている。γ軸指示電流値Ｉ_γ ^*は、不感帯ＮＲの外側の領域で急峻に立ち上がり、所定のトルク以上でほぼ一定値となるように設定される。これにより、運転者がステアリングホイール１０を操作していないときには、モータ３への通電が停止され、不必要な電力消費が抑制される。

電流偏差演算部３２は、指示電流値生成部３１によって生成されるγ軸指示電流値Ｉ_γ ^*に対するγ軸検出電流Ｉ_γの偏差Ｉ_γ ^*−Ｉ_γと、δ軸指示電流値Ｉ_δ ^*（＝０）に対するδ軸検出電流Ｉ_δの偏差Ｉ_δ ^*−Ｉ_δとを演算する。γ軸検出電流Ｉ_γおよびδ軸検出電流Ｉ_δは、ＵＶＷ／γδ変換部３６から偏差演算部３２に与えられるようになっている。

ＵＶＷ／γδ変換部３６は、電流検出部１３によって検出されるＵＶＷ座標系の三相検出電流Ｉ_UVW（Ｕ相検出電流Ｉ_U、Ｖ相検出電流Ｉ_VおよびＷ相検出電流Ｉ_W）をγδ座標系の二相検出電流Ｉ_γおよびＩ_δ（以下総称するときには「二相検出電流Ｉ_γδ」という。）に変換する。これらが電流偏差演算部３２に与えられるようになっている。ＵＶＷ／γδ変換部３６における座標変換には、制御角演算部２６で演算される制御角θ_Cが用いられる。

ＰＩ制御部３３は、電流偏差演算部３２によって演算された電流偏差に対するＰＩ演算を行うことにより、モータ３に印加すべき二相指示電圧Ｖ_γδ ^*（γ軸指示電圧Ｖ_γ ^*およびδ軸指示電圧Ｖ_δ ^*）を生成する。この二相指示電圧Ｖ_γδ ^*が、γδ／ＵＶＷ変換部３４に与えられる。
γδ／ＵＶＷ変換部３４は、二相指示電圧Ｖ_γδ ^*に対して座標変換演算を行うことによって、三相指示電圧Ｖ_UVW ^*を生成する。三相指示電圧Ｖ_UVW ^*は、Ｕ相指示電圧Ｖ_U ^*、Ｖ相指示電圧Ｖ_V ^*およびＷ相指示電圧Ｖ_W ^*からなる。この三相指示電圧Ｖ_UVW ^*は、ＰＷＭ制御部３５に与えられる。

ＰＷＭ制御部３５は、Ｕ相指示電圧Ｖ_U ^*、Ｖ相指示電圧Ｖ_V ^*およびＷ相指示電圧Ｖ_W ^*にそれぞれ対応するデューティのＵ相ＰＷＭ制御信号、Ｖ相ＰＷＭ制御信号およびＷ相ＰＷＭ制御信号を生成し、駆動回路１２に供給する。
駆動回路１２は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相に対応した三相インバータ回路からなる。このインバータ回路を構成するパワー素子がＰＷＭ制御部３５から与えられるＰＷＭ制御信号によって制御されることにより、三相指示電圧Ｖ_UVW ^*に相当する電圧がモータ３の各相のステータ巻線５１，５２、５３に印加されることになる。

電流偏差演算部３２およびＰＩ制御部３３は、電流フィードバック制御手段を構成している。この電流フィードバック制御手段の働きによって、モータ３に流れるモータ電流が、指示電流値生成部３１によって設定される二相指示電流値Ｉ_γδ ^*に近づくように制御される。
回転角速度演算部２７は、モータ３の回転角速度（モータ回転角速度）を演算するものである。より具体的には、回転角速度演算部２７は、舵角センサ４によって検出される操舵角を制御周期毎に取り込み、前制御周期から今制御周期への操舵角の差分を制御周期で除することによって操舵角速度を求める。さらに、回転角速度演算部２７は、減速機構７の減速比およびモータ３の極対数（Ｎ極とＳ極との対の個数）に基づいて、モータ３の回転角速度（電気角における回転角速度）を演算する。この構成の他にも、回転角速度演算部２７は、モータ３の電流（検出電流Ｉ_γδ）および印加電圧（指示電圧Ｖ_γδ ^*）に基づいて、モータ３の回転角速度を演算する構成とすることもできる。より具体的には、回転角速度演算部２７は、モータ３の抵抗値およびインダクタンスを用い、検出電流および印加電圧に基づいてモータ３の誘起電圧を推定し、この誘起電圧に基づいてモータ回転角速度を推定するものであってもよい。

制限値設定部２８は、リミッタ２４の制限値を可変設定するものである。より具体的には、制限値設定部２８は、回転角速度演算部２７によって求められたモータ回転角速度に応じて、リミッタ２４における制限値を設定する。
図３は、前記電動パワーステアリング装置の制御ブロック図である。ただし、説明を簡単にするために、リミッタ２４の機能は省略してある。

指示操舵トルクＴ^*と検出操舵トルクＴとの偏差（トルク偏差）に対するＰＩ制御（Ｋ_Pは比例係数、Ｋ_Iは積分係数、１／ｓは積分演算子である。）によって、加算角αが生成される。この加算角αが制御角θ_Cの前回値θ_C(n-1)に対して加算されることによって、制御角θ_Cの今回値θ_C(n)＝θ_C(n-1)＋αが求められる。このとき、制御角θ_Cとロータ５０の実際のロータ角θ_Mとの偏差が負荷角θ_L＝θ_C−θ_Mとなる。

したがって、制御角θ_Cに従うγδ座標系（仮想回転座標系）のγ軸（仮想軸）にγ軸指示電流値Ｉ_γ ^*に従ってγ軸電流Ｉ_γが供給されると、ｑ軸電流Ｉ_q＝Ｉ_γsinθ_Lとなる。このｑ軸電流Ｉ_qがロータ５０の発生トルクに寄与する。すなわち、モータ３のトルク定数Ｋ_Tをｑ軸電流Ｉ_q（＝Ｉ_γsinθ_L）に乗じた値が、アシストトルクＴ_A（＝Ｋ_T・Ｉ_γsinθ_L）として、減速機構７を介して、舵取り機構２に伝達される。このアシストトルクＴ_Aを舵取り機構２からの負荷トルクＴ_Lから減じた値が、運転者がステアリングホイール１０に与えるべき操舵トルクＴである。この操舵トルクＴがフィードバックされることによって、この操舵トルクＴを指示操舵トルクＴ^*に導くように系が動作する。つまり、検出操舵トルクＴを指示操舵トルクＴ^*に一致させるべく、加算角αが求められ、それに応じて制御角θ_Cが制御される。

このように制御上の仮想軸であるγ軸に電流を流す一方で、指示操舵トルクＴ^*と検出操舵トルクＴとの偏差ΔＴに応じて求められる加算角αで制御角θ_Cを更新していくことにより、負荷角θ_Lが変化し、この負荷角θ_Lに応じたトルクがモータ３から発生するようになっている。これにより、操舵角および車速に基づいて設定される指示操舵トルクＴ^*に応じたトルクをモータ３から発生させることができるので、操舵角および車速に対応した適切な操舵補助力を舵取り機構２に与えることができる。すなわち、操舵角の絶対値が大きいほど操舵トルクが大きく、かつ、車速が大きいほど操舵トルクが小さくなるように、操舵補助制御が実行される。

このようにして、回転角センサを用いることなくモータ３を適切に制御して、適切な操舵補助を行うことができる電動パワーステアリング装置を実現できる。これにより、構成を簡単にすることができ、コストの削減を図ることができる。
図６は、リミッタ２４の働きを説明するためのフローチャートである。リミッタ２４は、制限値設定部２８によって設定される制限値ω_max（＞０）に基づいて、加算角αを上限値ＵＬ（＝＋ω_max）および下限値ＬＬ（＝−ω_max）の範囲内に制限する。より具体的には、リミッタ２４は、ＰＩ制御部２３によって求められた加算角αを上限値ＵＬと比較し（ステップＳ１１）、加算角αが上限値ＵＬを超えている場合（ステップＳ１１：ＹＥＳ）には、上限値ＵＬを加算角αに代入する（ステップＳ１２）。したがって、制御角θ_Cに対して上限値ＵＬ（＝＋ω_max）が加算されることになる。

ＰＩ制御部２３によって求められた加算角αが上限値ＵＬ以下であれば（ステップＳ１１：ＮＯ）、リミッタ２４は、さらに、その加算角αを下限値ＬＬと比較する（ステップＳ１３）。そして、その加算角αが下限値未満であれば（ステップＳ１３：ＹＥＳ）、下限値ＬＬを加算角αに代入する（ステップＳ１４）。したがって、制御角θ_Cに対して下限値ＬＬ（＝−ω_max）が加算されることになる。

ＰＩ制御部２３によって求められた加算角αが下限値ＬＬ以上上限値ＵＬ以下（ステップＳ１３：ＮＯ）であれば、その加算角αがそのまま制御角θ_Cへの加算のために用いられる。
このようにして、加算角αを上限値ＵＬと下限値ＬＬとの間に制限することができるので、制御の安定化を図ることができる。より具体的には、電流不足時や制御開始時に制御不安定状態（アシスト力が不安定な状態）が発生しても、この状態から安定な制御状態へと速やかに遷移させることができる。これにより、操舵感を向上することができる。

図７は、制限値設定部２８によって設定される制限値ω_maxの設定例を説明するための特性図である。制限値設定部２８は、回転角速度演算部２７によって求められるモータ回転角速度に応じて制限値ω_maxを可変設定する。より具体的には、モータ回転角速度が所定値Ａ以下の低角速度領域においては、制限値ω_maxは一定値Ｃに設定される。一方、所定値Ａを超える角速度領域においては、モータ回転角速度の増加に応じて単調に増加（図７の例ではリニアに増加）するように、制限値ω_maxが設定される。

さらに、詳細には、所定値Ａを超える角速度領域においては、モータ回転角速度から計算される単位時間のモータ角変化量よりも一定値Ｄだけ大きな値を制限値ω_maxとして設定するようになっている。これにより、想定される加算角αの絶対値に対して一定値Ｄだけ余裕を持たせて制限値ω_maxが設定される。
低角速度領域において制限値ω_maxを一定値Ｃに固定しているのは、舵角センサ４の検出精度を考慮したものである。すなわち、舵角センサ４は、一般に、あまり分解能が高くないので、とくに低角速度領域においては正確なモータ回転角速度を演算することは困難である。したがって、低角速度領域では制限値ω_maxを一定値Ｃとすることで、舵角センサ４の検出精度に起因する問題を回避している。一定値Ｃは、所定値Ａのモータ回転角速度に対して一定値Ｄの余裕を持たせて設定した値である。

このようにこの実施形態によれば、制限値ω_maxが、モータ回転角速度に応じて可変設定され、この制限値ω_maxに基づいて加算角αが制限される。これにより、モータ回転角速度に応じた適切な制限を加算角αに対して課することができる。したがって、モータ回転角速度が比較的小さいときには、制限値ω_maxを小さな値に設定することによって、制御角θ_Cの変化幅が小さくなるから、必要なモータトルク（アシストトルク）に対応した適値へと制御角θ_Cを収束させやすくなる。また、モータ回転角速度が大きいときには、大きな制限値ω_maxが設定されるので、制御角θ_Cをモータ３の高速回転に追随させることができる。

図７の特性では、所定値Ａ以下の低角速度領域においては制限値ω_maxを一定値Ｃとしているが、この一定値Ｃは所定値Ａに対応した小さな値となっているので、制御角θ_Cの変化量はさほど大きくならない。そのため、制御角θ_Cが必要トルクに対応した適値を超えて変化する状況とはなりにくい。よって、リミッタ２４によって加算角αが制限を受ける状況においても、制御角θ_Cを充分速やかに適値へと収束させることができる。

なお、図７の特性は一例であり、他の特性に従って制限値ω_maxを変化させるようにしてもよい。たとえば、図７には、所定値Ａを超える領域において、モータ回転角速度に対して一次関数的に制限値ω_maxを可変設定するようにしているが、モータ回転角速度に対して二次関数的に制限値ω_maxを変化させるようにしてもよい。また、図７には、モータ回転角速度に対して制限値ω_maxが連続的に変化する例を示したが、モータ回転角速度に対する制限値ω_maxの変化は不連続であってもよい。すなわち、モータ回転角速度の増加に対して、制限値ω_maxが段階的に変化する特性としてもよい。

図８は、この発明の第２の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成を説明するためのブロック図である。この図８において、前述の図１に示された各部の対応部分には同一参照符号を付して示す。
この実施形態では、制限値設定部２８は、乱数発生部２８ａを有し、時間経過に応じて乱数的な制限値ω_maxを生成する。したがって、リミッタ２４は、時間経過に応じて乱数的に変化する制限値ω_maxに応じた上限値ＵＬおよび下限値ＬＬによって、加算角αを制限する。

図９Ａおよび図９Ｂは制限値ω_maxが一定値（たとえば４５度）である場合（比較例）の動作例を説明するための図であり、図１０Ａおよび図１０Ｂは制限値ω_maxが乱数的に変化する本実施形態における動作を説明するための図である。
アシストトルクが不足する場合には、加算角αの絶対値が増加していき、加算角αが上限値ＵＬまたは下限値ＬＬに達する場合がある。このとき、制限値ω_maxが一定値であるときには、図９Ａに示すように、加算角αは上限値ＵＬ（または下限値ＬＬ）に固定される。この状況では、図９Ｂに示すように、制御角θ_Cは、一定の制限値ω_max（たとえば４５度）ずつ変化することになる。したがって、目標とするアシストトルクが得られる制御角θ_Cの適値θ_tを超えて変化するおそれがある。しかも、一定の制限値ω_maxが３６０度の約数（たとえば４５度）であるときには、制御角θ_Cは有限個の値を循環的にとるため、適値θ_tに制御角θ_Cを収束させることができない。

一方、この実施形態では、制限値ω_maxが乱数的に変化するため、アシストトルクが不足し、加算角αがリミッタ２４による制限を受ける状態に至っても、加算角αは時間経過とともに変動する（図１０Ａ参照）。そのため、制御角θ_Cの変化幅が乱数的に変動するから、制御角θ_Cは有限個の値を循環的にとるようなことがない（図１０Ｂ参照）。これにより、制御角θ_Cは適値θ_tに接近した値をとることが可能となる。このとき、検出操舵トルクＴと指示操舵トルクＴ^*との偏差（トルク偏差）ΔＴが充分に小さくなり、加算角αが小さくなって、リミッタ２４による制限を受ける状態から脱する。こうして、制御角θ_Cを適値θ_tへと収束させることができる。

なお、この実施形態では、乱数発生部２８ａを用いて乱数的に変化する制限値ω_maxを生成しているが、たとえば、時間に応じて変化する値を生成する関数（時間に対する関数）を用いて、時間経過に応じて変化する制限値ω_maxを生成するようにしてもよい。より具体的には、時間に対する関数演算を行って制限値ω_maxを生成してもよいし、時間に応じて変化する関数値を予め格納したマップを用いて制限値ω_maxを生成してもよい。乱数の発生、関数またはマップによる制限値ω_maxの生成は、いずれも少ない計算量で行える利点がある。

図１１は、この発明の第３の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成を説明するためのブロック図である。この図１１において、前述の図１に示された各部の対応部分には同一参照符号を付して示す。
この実施形態では、検出操舵トルクＴの変化量δＴを演算するトルク変化量演算部２９が備えられている。検出操舵トルクＴの変化量δＴ（以下「トルク変化量δＴ」という。）とは、前制御周期ｎ−１から今制御周期ｎまでの検出操舵トルクＴの変化量δＴ（＝Ｔ(n)−Ｔ(n-1)）、すなわち、検出操舵トルクＴの時間変化量である。制限値設定部２８は、トルク変化量演算部２９によって求められるトルク変化量δＴに基づいて、制限値ω_maxを可変設定する。

図１２は、トルク変化量δＴに対する制限値ω_maxの変化の一例を示す特性図である。制限値ω_maxは、トルク変化量δＴの絶対値が大きいほど大きな値に設定されるようになっている。より具体的には、トルク変化量δＴの絶対値が所定値Ｅ以下の領域では、トルク変化量δＴによらずに制限値ω_maxは、所定の下限制限値ωＬとされる。また、トルク変化量δＴの絶対値が所定値Ｆ（Ｆ＞Ｅ）を超える領域では、トルク変化量δＴによらずに制限値ω_maxは、所定の上限制限値ωＵとされる。そして、トルク変化量δＴの絶対値が前記所定値Ｅ，Ｆの間の領域においては、制限値ω_maxは、トルク変化量δＴの絶対値の増加に応じて下限制限値ωＬから上限制限値ωＵまで単調に（この実施形態ではリニアに）増加する特性に従って設定される。

このようにトルク変化量δＴの絶対値が小さな領域では制限値ω_maxが小さな値とされるから、制御角θ_Cが収束すべき値（適値）を飛び越えて変化する可能性が低くなる。これにより、制御角θ_Cの適値への収束性を向上できるから、加算角αがリミッタ２４による制限を受ける状態となっても、制御角θ_Cを速やかに適値へと収束させ、リミッタ２４による制限を受ける状態から脱することができる。

一方、トルク変化量δＴの絶対値が大きいほど大きな制限値ω_maxが設定されることから、外力などに起因して検出操舵トルクＴが急変したときには、大きな加算角αが許容される。そのため、制御角θ_Cを検出操舵トルクＴの急変に追随して変化させることができ、良好な応答性で必要なトルクを発生させることができる。
図１３は、トルク変化量δＴに対する制限値ω_maxの変化の他例を示す特性図である。この例では、トルク変化量δＴの絶対値が増加するときと、トルク変化量δＴの絶対値が減少するときとで、異なる特性に従って制限値ω_maxが設定される。すなわち、制限値ω_maxはトルク変化量δＴの絶対値の変化に対してヒステリシスを有している。具体的には、トルク変化量δＴの絶対値の増加時よりも、トルク変化量δＴの絶対値の減少時の方が、大きな制限値ω_maxが設定されるようになっている。

より詳細に説明すると、トルク変化量δＴの絶対値の増加時に適用される特性線Ｌ１は、トルク変化量δＴの絶対値が所定値Ｅ１以下の領域で下限制限値ωＬをとり、トルク変化量δＴの絶対値が所定値Ｆ１（Ｆ１＞Ｅ１）を超える領域で上限制限値ωＵをとり、トルク変化量δＴの絶対値がＥ１〜Ｆ１の領域ではトルク変化量δＴの絶対値の増加に伴って下限制限値ωＬから上限制限値ωＵまで単調に（この例ではリニアに）増加する特性に従って定められる。一方、トルク変化量δＴの絶対値の減少時に適用される特性線Ｌ２は、トルク変化量δＴの絶対値が所定値Ｆ２（Ｆ２＜Ｆ１）を超える領域で上限制限値ωＵをとり、トルク変化量δＴの絶対値が所定値Ｅ２（Ｅ２＜Ｆ２，Ｅ２＜Ｅ１）以下の領域で下限制限値ωＬをとり、トルク変化量δＴの絶対値がＥ２〜Ｆ２の領域ではトルク変化量δＴの絶対値の減少に伴って単調に（この例ではリニアに）減少する特性に従って定められる。領域Ｅ２〜Ｆ１においては、曲線Ｌ２に従う制限値ω_maxは曲線Ｌ１に従う制限値よりも大きい。

この特性を適用して制限値ω_maxを定めても、図１２の特性に従う制限値ω_maxの設定の場合と同様の効果が得られる。一方、検出操舵トルクＴが大きく変化するのは、外力によって操舵トルクＴが急変した場合と、ステアリングホイール１０を高速回転した場合とである。ステアリングホイール１０を高速回転した場合について考えると、トルク変化量δＴの絶対値が大きくなるのは、ステアリングホイール１０を低速回転の状態から高速回転の状態に持って行こうとした場合である。また、トルク変化量δＴの絶対値が小さくなるときとは、少なくとも、一度ステアリングホイール１０の回転が速くなったときである。そこで、トルク変化量δＴの絶対値が同じ値であっても、トルク変化量δＴの絶対値が大きくなっていくときよりも、トルク変化量δＴの絶対値が小さくなっていくときの方がモータ３の回転角速度が速い可能性が高い。したがって、それに応じて制限値ω_maxを大きくしておくことで、制御角θ_Cをモータ３の高速な回転に追随させることができる。

なお、この実施形態では、トルク変化量δＴとして、制御周期間の検出操舵トルクＴの差分値を用いているが、その代わりに検出操舵トルクＴの微分値（制御周期間の差分を制御周期で除した値）を用いてもよい。また、検出操舵トルクＴの差分値の移動平均値を用いてもよい。
図１４は、この発明の第４の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成を説明するためのブロック図である。この図１４において、前述の図１に示された各部の対応部分には同一の参照符号を付して示す。

この実施形態では、制限値設定部２８は、車速センサ６によって検出される車速に応じて、制限値ω_maxを可変設定する。
図１５は、車速に対する制限値ω_maxの変化の一例を示す特性図である。この例では、車速の増加に応じて単調に増加する特性で制限値ω_maxが設定されている。停止状態から極低速状態までの車速域では、制限値ω_maxは急増し、それを超える車速域では、車速の増加に伴って制限値ω_maxがゆるやかに増加する特性となっている。

車両が停止しているときや極低速走行時には、負荷が大きく電流不足が発生しやすいが、高速な操舵がされることは少なく、したがって、制御角θ_Cを大きく変化させる必要がない。そこで、停止時および極低速走行時には、制限値ω_maxを比較的小さく設定しておくことで、制御角θ_Cがその適値に収束しやすくなる。これにより、加算角αがリミッタ２４による制限を受けている状態からの復帰を促すことができる。

一方、車両が発進して極低速状態を脱し、通常の走行状態（たとえば、時速５km/h以上）となると、負荷が小さく電流不足は発生しにくいが、ステアリングホイール１０が高速に操舵される可能性がある。そこで、制限値ω_maxが比較的大きな値とされる。これにより、高速な操舵が行われたときに、大きな加算角αの設定が許容されるので、制御角θ_Cを操舵に追随させることができ、良好な応答性でモータ３から必要なトルクを発生させることができる。

以上、この発明の４つの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、回転角センサを備えずに、専らセンサレス制御によってモータ３を駆動する構成について説明したが、レゾルバ等の回転角センサを備え、この回転角センサの故障時に前述のようなセンサレス制御を行う構成としてもよい。これにより、回転角センサの故障時にもモータ３の駆動を継続できるから、操舵補助を継続できる。すなわち、たとえ回転角センサを備えていても、その回転角センサの検出値を用いずにモータを制御する構成が備えられている場合には、この発明の範囲に属する。

この場合、回転角センサを用いるときには、指示電流値生成部３１において、操舵トルクおよび車速に応じて、所定のアシスト特性に従ってδ軸指示電流値Ｉ_δ ^*を発生させるようにすればよい。
回転角センサの出力信号を用いる場合には、ロータ角θ_Mが求まるので制御角θ_Cを導入する必要がなく、制御角θ_Cに従う仮想回転座標系を用いる必要がない。つまり、ｄ軸電流およびｑ軸電流を制御すればよい。しかし、γδ軸に従って電流制御を行うγδ電流制御部と、ｄｑ軸に従って電流制御を行うｄｑ電流制御部との両方を備えると、マイクロコンピュータ１１においてプログラムを記憶するためのメモリ（ＲＯＭ）の多くの領域を使用することになる。そこで、角度変数を共用化することによって、γδ電流制御部とｄｑ電流制御部との共通化を図ることが好ましい。具体的には、共通化した電流制御部の角度変数を、回転角センサが正常なときにはｄｑ座標用角度として用い、回転角センサの故障時にはγδ座標用角度として用いるように切り換えればよい。これにより、メモリの使用量を抑制できるから、それに応じてメモリ容量を削減でき、コストダウンを図ることができる。

さらに、前述の実施形態では、電動パワーステアリング装置にこの発明が適用された例について説明したが、この発明は、電動ポンプ式油圧パワーステアリング装置のためのモータの制御や、パワーステアリング装置以外にも、ステア・バイ・ワイヤ（ＳＢＷ）システム、可変ギヤレシオ（ＶＧＲ）ステアリングシステムその他の車両用操舵装置に備えられたブラシレスモータの制御のために用いることができる。むろん、車両用操舵装置に限らず、他の用途のモータの制御のためにも本発明のモータ制御装置を適用できる。

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。 モータの構成を説明するための図解図である。 前記電動パワーステアリング装置の制御ブロック図である。 操舵角に対する指示操舵トルクの特性例を示す図である。 γ軸指示電流値の設定例を示す図である。 リミッタの働きを説明するためのフローチャートである。 制限値設定部による制限値の設定例を説明するための特性図である。 この発明の第２の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成を説明するためのブロック図である。 制限値が一定値である場合（比較例）の動作例を説明するための図である。 制限値が乱数的に変化する前記第２の実施形態における動作を説明するための図である。 この発明の第３の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成を説明するためのブロック図である。 トルク変化量に対する制限値の変化の一例を示す特性図である。 トルク変化量に対する制限値の変化の他例を示す特性図である。 この発明の第４の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成を説明するためのブロック図である。 車速に対する制限値ω_maxの変化の一例を示す特性図である。

符号の説明

１…トルクセンサ、３…モータ、４…舵角センサ、５…モータ制御装置、１１…マイクロコンピュータ、２６…制御角演算部、５０…ロータ、５１，５２，５２…ステータ巻線、５５…ステータ

Claims (5)

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、前記ロータの回転角を検出するための回転角センサの検出値を用いずに制御するためのモータ制御装置であって、
   前記モータの駆動対象に働くトルクを検出するトルク検出手段と、
   前記駆動対象に働かせるべき指示トルクを設定する指示トルク設定手段と、
   制御上の回転角である制御角に従う回転座標系の軸電流値で前記モータを駆動する電流駆動手段と、
   前記指示トルク設定手段によって設定される指示トルクと前記トルク検出手段によって検出されるトルクとの偏差に応じて、前記制御角に加算すべき加算角を演算する加算角演算手段と、
   所定の演算周期毎に、制御角の前回値に前記加算角演算手段によって演算される加算角を加算することによって制御角の今回値を求める制御角演算手段と、
   前記加算角を所定の制限値に基づいて制限するための制限手段と、
   前記制限値を変更する制限値変更手段とを含む、モータ制御装置。
2. 前記モータの回転角速度を取得する回転角速度取得手段をさらに含み、
   前記制限値変更手段は、前記回転角速度取得手段によって取得されるモータ回転角速度に応じて前記制限値を変更するものである、請求項１記載のモータ制御装置。
3. 前記制限値変更手段は、時間に応じて前記制限値を変更するものである、請求項１記載のモータ制御装置。
4. 前記制限値変更手段は、前記トルク検出手段によって検出されるトルクの変化量に応じて前記制限値を変更するものである、請求項１記載のモータ制御装置。
5. 前記モータは、車両用操舵装置の駆動源として用いられるものであり、
   前記制限値変更手段は、車速に応じて前記制限値を変更するものである、請求項１記載のモータ制御装置。

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