JP6641053B1 - 電動機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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Abstract
Description
特許文献1では、電動機に生じる回転磁界の空間高調波を回転位置に関するテーブルデータとして保持し、その空間高調波によって生じるトルクリップルが0となるような電流指令を作成し、基本電流指令に重畳することでトルクリップル抑制を実施している。
しかしながら、事前に取得する電動機の電気的特性は、その真値に対して設計値あるいは測定値が誤差を持つと考えることが自然であり、また電動機の動作状態あるいは製造ばらつきによって変動する。そのため、電動機の電気的特性の取得値が真値と乖離している場合はトルクリップル抑制の効果が出ないという問題がある。実際に、特許文献1は、電動機の電機子鎖交磁束とインダクタンスなど電気的パラメータの中央値の誤差に基づいた構成になっておらず、脈動項を除いて電気的パラメータの中央値のみを用いて制御されている。
図1は実施の形態1による電動機制御装置のブロック図である。図1において、電動機制御装置は、基本電流指令生成部1、電流補正指令重畳部2、電流制御部3、dq/3相座標変換器4、3相/dq座標変換器5、ベクトル制御方式のインバータ6、電流補正部100を有する。電流補正部100の内部には、電動機の位置依存成分生成部101、電動機の電気的特性中央値出力部102、電流補正指令演算部103、感度設定値出力部104を有する。電動機制御装置は、突極性を有する電動機7を電流検出器8、回転位置検出器9からの検出信号が入力される。
基本電流指令生成部1は、上位制御系からのトルク指令値T*に基づいて、d軸基本電流指令id0とq軸基本電流指令iq0を演算し出力する。d軸基本電流指令とq軸基本電流指令の演算は、最大トルク制御に則って演算してもよい。また、稼動状況に応じた公知の基本電流指令に基づいて演算してもよい。
突極性を有する電動機のトルクは、以下の式(1)で表される。
ここで、T:トルク、Pm:電動機の極対数、Ld:d軸インダクタンス、Lq:q軸インダクタンス、id:d軸電流、iq:q軸電流、Φd:d軸磁石磁束、Φq:q軸磁石磁束である。
式(1)において、インダクタンスLd、Lqは、その差がトルクに寄与するため、ここではインダクタンスL=Ld−Lqと定義し、上記式(1)を式(2)に変換する。
ここで、L0:インダクタンスの中央値、Lripple:インダクタンスの位置依存成分、Φd0:d軸磁石磁束の中央値、Φdripple:d軸磁石磁束の位置依存成分、Φq0:q軸磁石磁束の中央値、Φqripple:q軸磁石磁束の位置依存成分である。式(3)を用いて位置依存成分を考慮することにより、位置依存成分によって発生するトルクリップルが計算できるため、トルクリップルを抑制する電流補正指令の計算が可能となる。位置依存成分は、図2に示すように回転位置に応じた値を持つ関数とする。例えば、電気角周波数の6倍の周波数を持つ位置依存成分は、下記のように表すことができる。
上記式(4)を用いて本実施の形態を適用すると、電気角周波数の6倍の周波数を持つトルクリップルの抑制が可能となる。また、電気角周波数の6倍の周波数ではなく、n倍の周波数を持つ位置依存成分は、下記のように表すことができる。
上記式(5)のように、任意の周波数の位置依存成分を対象とすることができる。式(5)を用いて本実施の形態を適用すると、電気角周波数のn倍の周波数を持つトルクリップルの抑制が可能となる。また、複数の周波数のトルクリップルを抑制するときは、各周波数における式(5)を用い、本実施の形態を適用して各周波数の電流補正指令を演算し、それらを基本電流指令に重畳すればよい。
続いて、電気的特性を中央値と位置依存成分に分けてトルク方程式に代入すると、上記式(2)は式(6)に展開される。
上記式(7)において、トルクの定数成分に着目する。トルクの定数成分は電動機の出力である基本的なトルクを表す。電流制御系では、電動機の出力である基本的なトルクがトルク指令値T*に追従するように電流制御を行う。基本的なトルクT0は、電動機の電気的特性と基本電流指令id0、iq0を用いて、下記式(8)となる。
式(8)と式(9)から基本電流指令id0、iq0が計算される。他の公知の制御手法を用いる場合でも、基本的なトルクを表す式(8)に基づいて基本電流指令が計算される。
次に、式(7)において、高調波の二次以上の成分は十分小さいものとすると、トルクの高調波成分であるトルクリップルは以下の式(10)で表される。
電流補正指令の設計について、誤差領域上の誤差点Epを1つ選び、その座標を(eL、ep)とする。次に、選んだ誤差点Epと原点において式(11)で表されるトルクリップルが0となるように連立方程式を以下のように立てる。
式(17)は、まずq軸電流補正指令iqrippleから計算し、iqrippleの値からd軸電流補正指令idrippleを求めているが、最初にidrippleから計算し、idrippleを用いてiqrippleを計算してもよい。具体的には、下記の式(18)となる。
次に、実施の形態2による電動機制御装置について、図9を用いて説明する。実施の形態2は、図9に示すとおり、回転位置に対する電動機の位置依存成分のテーブル105を持ち、そのテーブルに基づいて位置依存成分Pdを出力し電流補正指令を計算する場合である。
本実施の形態では、予め公知の方法により、電動機のインダクタンス、および磁石磁束を測定しておき、各測定値から平均値を引くことで位置依存成分を抽出する。抽出した位置依存成分を図10のような回転位置に対するテーブルデータにし、回転位置に応じた位置依存成分Pdを電流補正指令演算部103に出力する。dq軸電流補正指令を出力する電流補正指令演算部103では、実施の形態1と同様の計算を行うことにより、電動機の電気的特性に対してロバストにトルクリップルを抑制する電流補正指令を計算し、dq軸基本電流指令に重畳することで、トルクリップルを抑制することができる。本実施の形態におけるテーブルデータは、6f成分だけでなく、任意の周波数成分が含まれたテーブルデータを作成してもよい。任意の周波数成分が含まれたテーブルデータから位置依存成分を電流補正指令演算部103に出力し、式(15)に基づいて電流補正指令を計算し、dq軸基本電流指令に重畳することで、テーブルデータに含まれている周波数成分と同じ周波数のトルクリップルを抑制することができる。複数の周波数成分が含まれている場合は、それらの周波数成分と同じ周波数のトルクリップルを抑制することができるため、各周波数で個別に電流補正指令を計算する必要がなく演算量を減らすことが可能となる。
次に、実施の形態3による電動機制御装置について、図11を用いて説明する。図11に示すように、実施の形態3では、電流補正指令位相成分生成部106と、電流補正ゲイン演算部107と、電流補正ゲイン乗算部108を備えている。
本実施の形態では、予め公知の方法により、電動機のインダクタンス、および磁石磁束を測定しておき、各測定値から平均値を引くことで位置依存成分を抽出する。続いて、式(15)の分子部分を抽出した下記の式(20)に従い、電動機の回転位置とdq軸基本電流指令に対するdq軸電流補正指令の位相成分f(θ、id0、iq0)の三次元テーブルを作成し、電流補正指令位相成分生成部106とする。
次に、実施の形態4による電動機制御装置について、図12〜図14を用いて説明する。実施の形態4では、電流補正指令に調整ゲイン生成部109で生成された調整ゲインを乗算する調整ゲイン乗算部110を有する。電流補正指令は、実施の形態1で説明した式(15)を用いた図12で示すような構成でもよく、あるいは実施の形態2で説明したように位相成分テーブルから演算した電流補正指令を用いた図13で示す変形例のような構成でもよく、または実施の形態3で説明したように電流補正指令位相成分と電流補正ゲインから演算された電流補正指令を用いた図14に示す変形例のような構成でもよい。この調整ゲインは、0から1までの値を持つものとする。本実施の形態においても、感度設定値eによってdq軸電流補正指令の大きさ比率を変えることができ、それにより電動機の電気的特性に誤差ある場合においてもトルクリップルの抑制が可能になる。
前記実施の形態では電動機制御装置について説明したが、該電動機制御装置と運転者の操舵を補助するためのアシストトルクを発生する突極性を有する電動機とを備えた電動パワーステアリング装置に適用しても良い。
図15は、実施の形態5における電動パワーステアリング装置の構成を示す図である。図15において、電動パワーステアリング装置は、ステアリングホイール301と、ステアリングシャフト302と、ラック・ピニオンギヤ303と、車輪304、305と、電動機7と、減速ギヤ306と、回転位置検出器9と、トルクセンサ307と、車速センサ308と、電動機制御装置200が設けられている。
電動機7は、減速ギヤ306を介してステアリングシャフト302と連結している。電動機7から発生する出力トルクは、減速ギヤ306を介してステアリングシャフト302に伝達され、操舵時に運転者が加える操舵トルクを軽減する。
トルクセンサ307は、運転者がステアリングホイール301を操舵することによりトーションバーに加わった操舵トルクを検出する。この操舵トルクによってトーションバーには操舵トルクにほぼ比例した捩れが生じるので、この捩れ角を検出し、操舵トルク信号に換算する。車速センサ308は、車両の走行速度を検出した信号である車速を出力する。
このような電動パワーステアリング装置においても、実施の形態1〜実施の形態4と同様に、電動機の電気的特性の取得値の誤差に対するトルクリップルの感度を小さくすることで、電動機の電気的特性に誤差がある場合においてもトルクリップル抑制が可能となる。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
Claims (6)
- 突極性を有する電動機をベクトル制御方式のインバータで制御する電動機制御装置において、前記電動機に基本的なトルクを出力させるためのd軸基本電流指令およびq軸基本電流指令を出力する基本電流指令生成部と、前記電動機の回転位置に応じて前記電動機の位置依存成分を出力する位置依存成分生成部と、前記d軸基本電流指令および前記q軸基本電流指令と前記位置依存成分からd軸電流補正指令およびq軸電流補正指令を演算する電流補正指令演算部と、前記d軸基本電流指令に前記d軸電流補正指令を重畳し、前記q軸基本電流指令に前記q軸電流補正指令を重畳し、d軸電流指令およびq軸電流指令を生成する電流補正指令重畳部と、前記d軸電流指令および前記q軸電流指令に基づいて前記インバータを介して前記電動機に流す電流を制御する電流制御部とを備え、前記電流補正指令演算部では、前記d軸電流補正指令と前記q軸電流補正指令の大きさが予め決められた比率に演算され、前記比率は事前に指定されるか、または、前記電動機の状態に応じて指定され、且つ、前記位置依存成分生成部は、前記電動機の回転位置に応じて前記電動機の電機子鎖交磁束またはインダクタンスの位置依存成分を出力することを特徴とする電動機制御装置。
- 前記電流補正指令演算部は、前記電動機の電機子鎖交磁束とインダクタンスと前記d軸基本電流指令と前記q軸基本電流指令および前記q軸電流補正指令に基づいて前記d軸電流補正指令を演算することを特徴とする請求項1に記載の電動機制御装置。
- 前記比率は、前記電動機の電機子鎖交磁束とインダクタンスそれぞれの中央値の誤差の比率である感度設定値に基づくことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電動機制御装置。
- 前記電流補正指令演算部は、前記感度設定値と前記電動機の電機子鎖交磁束とインダクタンスと前記d軸基本電流指令および前記q軸基本電流指令に基づいて前記d軸電流補正指令および前記q軸電流補正指令を演算することを特徴とする請求項3に記載の電動機制御装置。
- 前記d軸電流補正指令と前記q軸電流補正指令の位相が等しいかまたは180度の差であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電動機制御装置。
- 運転者の操舵を補助するためのアシストトルクを発生する突極性を有した電動機と、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電動機制御装置を備えた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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