JP5743133B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents
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Description
モータには、当該モータを駆動する電源の電力限界があり、この電源の電力限界に基づいてモータの電力を制限することによって、電源からの引き出し電流が一定以下に抑えられる。これを「電源電力限界」という。
通常の設計では、モータ出力制限の中であって、電源電力限界を超えない範囲において目標出力が設定され、モータの回転はその目標出力となるように制御される。
この問題は、特に弱め界磁制御が作動するような高速回転(ハンドル急操舵)領域において顕著になると考えられる。
前記電力制御手段は、前記モータの出力率に応じてモータ出力率ゲインを設定し、このモータ出力率ゲインをq軸電流指令値に乗算することにより、前記モータ電流指令値を補正するものであってもよい。この場合、モータの出力率が1に近くなるほどモータ出力率ゲインを低下させるようして、モータ電流指令値の絶対値を小さくすることができる。
前記消費電力推定手段は、モータの回転速度を演算し、これとモータトルクとの積に基づいて、モータ出力率を求めるものであってもよい。
図1は、本発明の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の電気的構成と制御機能と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8を介して操舵補助力を与えるモータ(操舵補助モータ)3と、モータ3を駆動するための電源(蓄電池など)30と、モータ3の回転角(電気角)を検出するための回転角センサ(例えばモータレゾルバ)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7と、モータ3を駆動制御するモータ制御装置6とを備えている。前記モータ制御装置6に、前述の回転角センサ5、トルクセンサ1及び車速センサ7が接続されている。
モータ3は、この実施形態では、三相モータであり、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相及び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。
d−q座標系は、ロータ50とともに回転する回転座標系である。d−q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軸電流を零又は負の値とし、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θMは、U軸に対するd軸の回転角である。d−q座標系は、ロータ角θMに従う実回転座標系である。このロータ角θMを用いることによって、UVW座標系とd−q座標系との間での座標変換を行うことができる。
電流検出部13は、モータ3のステータ巻線51,52,53(図2参照)を流れる電流を検出する。より具体的には、電流検出部13は、三相(U相、V相及びW相)のステータ巻線51,52,53における相電流IU,IV,IWをそれぞれ検出する電流検出器を有する。
この複数の機能処理部には、目標モータトルク生成部20と、電流指令値生成部21と、補正部22と、電流偏差演算器23と、PI(比例積分)制御部24と、dq/UVW変換部25と、PWM(Pulse Width Modulation)制御部26と、UVW/dq変換部27と、回転角演算部31と、回転角速度演算部32と、モータ出力率演算部33と、インバータ電力消費率演算部37とが含まれている。
目標モータトルク生成部20は、トルクセンサ1により検出される操舵トルク(検出操舵トルク)と、車速センサ7により検出される車速とに基づいて目標モータトルクTM*を生成する。具体的には、目標モータトルク生成部20は、車速毎に予め設定された検出操舵トルクに対する目標モータトルクTM*の関係に基づいて、検出された車速及び操舵トルクに応じた目標モータトルクTM*を生成する。
目標モータトルク生成部20によって生成された目標モータトルクTM*は、電流指令値生成部21に与えられる。
UVW/dq変換部27は、三相検出電流IUVWを、二相回転座標系(d−q座標系)上でのd軸電流Id及びq軸電流Iq(以下、これらを総称するときには「二相検出電流Idq」という。)に座標変換する。この座標変換には、回転角演算部31によって得られた変換角θsが用いられる。
インバータ電力消費率演算部37は、インバータ電力制限値Pinv_limを設定する。インバータ電力制限値Pinv_limは、インバータ駆動回路12の消費電力の最大制限値である。図9の「電力制限」の曲線に記入したように、このインバータ電力制限値Pinv_limは、電源の電力限界とほぼ等しい。これを超えると電源に過大な負荷がかかる。インバータ電力消費率演算部37は、さらにインバータ電力制限値Pinv_limと消費電力Pinvとに基づいて、インバータ電力消費率Prateを求める。
このインバータ電力消費率Prateは、現時点のインバータ駆動回路12の消費電力が、インバータ電力制限値Pinv_limと比べてどのくらいの割合になっているかを示す値である。Prateは、0=<Prate=<1の範囲に入る。
補正部22は、インバータ電力消費率Prateに基づいて、電力消費率ゲインPrateGainを設定する。これは、インバータ電力消費率Prateの関数として求められる値である。電力消費率ゲインPrateGainの関数形の具体例を、図3に示す。同図によれば、A,Bを0から1までの範囲にある定数として、インバータ電力消費率Prateが0からAまでであれば、電力消費率ゲインPrateGainは1である。インバータ電力消費率PrateがAを超えると、電力消費率ゲインPrateGainは1から低下していく。インバータ電力消費率Prateが1に達すると、電力消費率ゲインPrateGainはBとなる。このように、"A"は、電力消費率ゲインPrateGainが1を維持するためのインバータ電力消費率Prateの上限値であり、"B"はインバータ電力消費率Prateが最大値1になったときの電力消費率ゲインPrateGainの値である。なお、図3では、電力消費率ゲインPrateGainは範囲A〜1において直線状に変化していたが、曲線状に変化してもよい(二次曲線、指数曲線、正弦波曲線など)。
Iq* 1=Iq*×PrateGain・・・(3)
である。
Pinv=VmIm・・・(1a)
(Vm:モータ電圧、Im:モータ電流)を用いて算出する。補正後のモータ電流指令値Im* 1を、前記(3)式に代えて、
Im* 1=Im*×PrateGain・・・(3a)
で算出する。このように、ブラシレスモータと同様に、モータ電圧、モータ電流によって電力消費率制限ができる。
モータ出力Wnowは、モータトルクTmに回転角速度Nを乗算して求めることができる。
Wnow=Tm×N・・・(5)
モータ出力率演算部33は、q軸電流Iqに対応するモータの最大出力値Wmaxを取得する。最大出力値Wmaxはモータ出力特性を表し、前記(5)式のNをモータの最大回転速度Nmaxで置き換えた式Wmax=Tm×Nmaxで算出できる。ここで、NmaxはモータトルクTm又はq軸電流Iqとモータ駆動電圧に応じて設定できる値である。モータの最大出力値Wmaxは、モータ3の最大出力制限値であり、これを超えるとモータ3に過大な負荷がかかる。モータ出力率演算部33は、さらにモータの最大出力値Wmaxとモータ出力Wnowとに基づいて、モータ出力率Wrateを求める。
このモータ出力率Wrateは、現時点のモータ3の出力が、出力制限値Wmaxと比べてどのくらいの割合になっているかを示す値である。Wrateは、0=<Wrate=<1の範囲に入る。
補正部22は、モータ出力率Wrateに基づいて、出力率ゲインWrateGainを設定する。これは、モータ出力率Wrateの関数として求められる値である。出力率ゲインWrateGainの関数形の具体例を、図4に示す。同図によれば、C,Dを0から1までの範囲にある定数として、モータ出力率Wrateが0からCまでであれば、出力率ゲインWrateGainは1である。モータ出力率WrateがCを超えると、出力率ゲインWrateGainは1から低下していく。モータ出力率Wrateが1に達すると、出力率ゲインWrateGainはDとなる。このように、"C"は、出力率ゲインWrateGainが1を維持するためのモータ出力率Wrateの上限値であり、"D"はモータ出力率Wrateが最大値1になったときの出力率ゲインWrateGainの値である。なお、図4では、出力率ゲインWrateGainは範囲C〜1において直線状に変化していたが、曲線状に変化してもよい(二次曲線、指数曲線、正弦波曲線など)。
Iq* 2=Iq*×WrateGain・・・(7)
である。
インバータ電力消費率演算部37は、前記(1)式を用いてインバータ消費電力Pinvを求め(ステップS1)、前記(2)式を用いてインバータ電力消費率Prateを演算し(ステップS2)、図3に例示するマップを用いて電力消費率ゲインPrateGain(ステップS3)を設定する。
図6は、モータ出力率演算部33及び補正部22の動作を示すフローチャートである。
モータ出力率演算部33は、UVW/dq変換部27からq軸電流値Iqを取得し(ステップT1)、前記(4)式を用いてモータトルクTmに換算する(ステップT2)。ついで前記(5)式を用いてモータ出力Wnowを求める(ステップT3)。さらにモータ出力率演算部33は、モータの最大出力値Wmaxを取得し(ステップT4)、これとモータ出力Wnowとに基づいて、モータ出力率Wrateを求める(ステップT5)。そして図4に例示するマップを用いて出力率ゲインWrateGainを設定する(ステップT6)。
そして補正部22は、図7の比較処理フローチャートに示すように、補正後のq軸電流指令値Iq* 1と、補正後のq軸電流指令値Iq* 2とを絶対値で比較し(ステップR1)、小さいほうを選択し(q軸電流指令値Iq* 3とする;ステップR2)、それを最終的なq軸電流指令値Iq*とする(ステップR3)。
PI制御部24は、偏差演算部23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Vdq*(d軸指示電圧Vd*及びq軸指示電圧Vq*)を生成する。この二相指示電圧Vdq*は、dq/UVW変換部25に与えられる。
PWM制御部26は、U相指示電圧VU*、V相指示電圧VV*及びW相指示電圧VW*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制御信号及びW相PWM制御信号を生成し、インバータ駆動回路12に供給する。
このような構成において、ステアリングホイール10に操舵トルクが加えられると、これがトルクセンサ1によって検出される。そして、トルクセンサ1によって検出された操舵トルク及び車速センサ7によって検出された車速に応じた目標モータトルクTM*が目標モータトルク生成部20によって生成される。そして、この目標モータトルクTM*に応じた電流指令値Id*,Iq*が電流指令値生成部21によって生成される。
このモータ電流指令値Id*,Iq*と二相検出電流Id,Iqとの偏差が電流偏差演算器23によって算出され、この偏差を零に導くようにPI制御部24によるPI演算が行われ、この演算結果に対応した二相指示電圧Vdq*がPI制御部24から出力される。この二相指示電圧Vdq*は、dq/UVW変換部25によって、三相指示電圧VUVW*に変換される。
いままでに掲げた図3、図4、図8に示した電力消費率ゲイン、出力率ゲイン、弱め界磁電流の関数形を用いて演算で求める代わりに、あらかじめ電力消費率ゲイン、出力率ゲイン、弱め界磁電流に対応する値をこのメモリ内のテーブルに書き込んで、それを利用しても良い。
Claims (5)
- 操舵補助力を発生するための操舵補助モータと、
前記操舵補助モータを駆動するインバータ駆動回路と、
前記インバータ駆動回路に駆動電力を供給する電源と、
前記電源の消費電力を算出又は推定する消費電力推定手段と、
算出又は推定された前記消費電力の所定の電力制限値に対する比から電力消費率を算出する電力消費率算出手段と、
前記操舵補助モータの出力を算出するモータ出力算出手段と、
算出された前記操舵補助モータの出力の所定の出力制限値に対する比からモータの出力率を算出するモータ出力率算出手段と、
前記電力消費率算出手段によって算出された電力消費率が1に近くなるほど小さくなるように補正されたモータ電流指令値の絶対値と、前記出力率算出手段によって算出されたモータ出力率が1に近くなるほど小さくなるように補正されたモータ電流指令値の絶対値との小さいほうを用いて前記操舵補助モータを制御する電力制御手段とを備える、電動パワーステアリング装置。 - 前記電力制御手段は、前記電力消費率に応じて電力消費率ゲインを設定し、この電力消費率ゲインをq軸電流指令値に乗算することにより、前記モータ電流指令値を補正するものである、請求項1記載の電動パワーステアリング装置。
- 前記電力制御手段は、前記モータの出力率に応じてモータ出力率ゲインを設定し、このモータ出力率ゲインをq軸電流指令値に乗算することにより、前記モータ電流指令値を補正するものである、請求項1記載の電動パワーステアリング装置。
- 前記消費電力推定手段は、インバータ駆動回路の消費電力を検出することにより前記電源の消費電力を推定する、請求項1から請求項3の何れかに記載の電動パワーステアリング装置。
- 前記モータ出力算出手段は、モータの回転速度とモータトルクとの積に基づいて、モータ出力率を求める、請求項1から請求項3の何れかに記載の電動パワーステアリング装置。
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