JP6852522B2 - 多相回転機の制御装置 - Google Patents

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本発明は、多相回転機の制御装置に関する。
例えば、車両の電動パワーステアリング装置においてアシストトルクを出力するモータは、車両の走行時に車輪が縁石に乗り上げた場合等、ラック軸を経由してモータ出力軸に外力が逆入力される場合がある。従来、多相回転機の制御装置において、このような外力の逆入力時に特定の制御を行う技術が知られている。
例えば、特許文献1に開示された電動パワーステアリング装置は、モータの回転角速度及び回転角加速度に基づいて所定値以上の外力の逆入力を判定する。そして、所定値以上の外力が逆入力されたとき、強め界磁制御を行ってモータの回転角速度を減速させることで、トルク伝達部材に伝達される衝撃力を抑制する。
特開2011−031713号公報
特許文献1の従来技術は、外力の逆入力によりモータが回転したとき、強め界磁制御によって回転角速度を減速させ、機械的な衝撃力を抑制することに着目している。しかし、外力の逆入力による影響は、機械的な衝撃力のみでなく、逆起電圧がインバータに印加されることや、その結果、相電流が増加すること等にも派生する。
例えば、相電流に基づいてインバータのスイッチング素子や電流経路の短絡異常を判定する構成では、外力の逆入力による相電流の増加時に、短絡異常でないにもかかわらず、過電流異常と誤判定するおそれがある。また、外力の逆入力により、電流フィードバック制御の応答が不安定となるおそれがある。このような、外力の逆入力による各種制御への影響に関し、特許文献1には何ら言及されていない。
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、外力の逆入力に起因する制御への影響を抑制する多相回転機の制御装置を提供することにある。
本発明は、通常動作時に負荷にトルクを出力し、且つ、通常動作時以外に負荷側から外力が逆入力される可能性のある多相回転機(80)の駆動を制御する制御装置に係る発明である。この多相回転機の制御装置は、一つ以上の電力変換器(6)と、指令演算部(201−207)と、入力電圧判定部(50)とを備える。
電力変換器は、複数のスイッチング素子(61−6)の動作により直流電力を多相交流電力に変換し、多相回転機に供給する。
指令演算部は、電力変換器を操作して多相回転機の通電を制御する指令値を演算する。
入力電圧判定部(50)は、電力変換器の高電位線と低電位線との間の電圧である入力電圧(Vr)が通常動作時の動作範囲内であるか否か判定する。
第1の態様の制御装置は、電力変換器又は多相回転機の巻線に流れる電流が電流閾値を超えたとき過電流異常であると判定する異常判定部(55)をさらに備える。入力電圧判定部により入力電圧が通常動作時の動作範囲外であると判定された電圧超過時に、異常判定部は、過電流異常の判定を中止する。この場合、制御装置は、電圧超過時に、外力の逆入力に起因する相電流の増加を無視するように制御を切り替える。
この場合、制御装置は、電圧超過時に、外力の逆入力に起因する相電流の増加を無視するように制御を切り替える。これにより、外力の逆入力による相電流増加時に、素子や電流経路の短絡異常でないにもかかわらず、過電流異常と誤判定することを防止することができる。
特許文献1の従来技術は、外力の逆入力による回転機の機械的な回転自体を抑制するものであり、外力の逆入力に起因する電圧又は電流の変化や制御変動には着目していない。
それに対し本発明の第1の態様の制御装置は、入力電圧が通常動作時の動作範囲外であると判定された電圧超過時に、異常判定部は過電流異常の判定を中止する。
これにより外力の逆入力による回転自体を直接的に抑制するのみでなく、外力の逆入力に起因する各種制御への影響を適切に抑制することができる。
第2、第3の態様の制御装置は、入力電圧判定部により入力電圧が通常動作時の動作範囲外であると判定された電圧超過時に、外力の逆入力に起因する制御変動を抑制するように、制御を切り替えるものである。
第2の態様の制御装置では、指令演算部(202、207)は、電流指令値とフィードバックされた実電流との偏差を0に近づけるように電圧指令値をPI演算する制御器(245、246)を有し、電圧超過時に、制御器の比例ゲイン及び積分ゲインを通常動作時よりも小さくし、通常動作時よりも制御応答性を低下させる。
第3の態様の制御装置では、指令演算部(205)は、通常動作時における電流指令値又は電圧指令値を記憶保持する指令値ホールド部(275、276)を有し、電圧超過時に、指令値ホールド部に記憶された通常動作時の電圧指令値又は電流指令値を継続して用いる。
第1〜第6実施形態による一系統の3相回転機の制御装置の全体構成図。 各実施形態の3相回転機の制御装置が適用される電動パワーステアリング装置の全体構成図。 第1実施形態の制御ブロック図。 第1実施形態による電圧超過時処理のフローチャート。 第2実施形態の制御ブロック図。 第2実施形態による電圧超過時処理のフローチャート。 第3実施形態の制御ブロック図。 第3実施形態による電圧超過時処理のフローチャート。 第4実施形態の制御ブロック図。 第4実施形態による(a)Vd制限の図、(b)Vq制限の図、(c)dq軸ベクトル図。 第4実施形態による電圧超過時処理のフローチャート。 第5実施形態の制御ブロック図。 第5実施形態による電圧超過時処理のフローチャート。 第6実施形態の制御ブロック図。 第6実施形態による(a)回転数とd軸電流指令値との関係を示す図、(b)dq軸ベクトル図。 第6実施形態による電圧超過時処理のフローチャート。 第7実施形態による二系統の3相回転機の制御装置の全体構成図。 第7実施形態の制御ブロック図。 第7実施形態による電圧超過時処理のフローチャート。
以下、多相回転機の制御装置の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の第1〜第7実施形態を包括して「本実施形態」という。
本実施形態では、多相回転機を代表して3相回転機の制御装置を示す。この3相回転機の制御装置は、車両の電動パワーステアリング装置において、操舵アシストモータを駆動する制御装置として用いられる。まず、各実施形態に共通する電動パワーステアリング装置の構成、及び、制御装置の構成の概略を説明する。
[電動パワーステアリング装置の構成]
図2に、電動パワーステアリング装置90を含むステアリングシステム99の全体構成を示す。なお、図2に示す電動パワーステアリング装置90はコラムアシスト式であるが、ラックアシスト式の電動パワーステアリング装置にも同様に適用可能である。
ステアリングシステム99は、ハンドル91、ステアリングシャフト92、操舵トルクセンサ94、ピニオンギア96、ラック軸97、車輪98、及び、電動パワーステアリング装置90等を含む。
ハンドル91にはステアリングシャフト92が接続されている。ステアリングシャフト92の先端に設けられたピニオンギア96は、ラック軸97に噛み合っている。ラック軸97の両端には、タイロッド等を介して一対の車輪98が設けられる。運転者がハンドル91を回転させると、ハンドル91に接続されたステアリングシャフト92が回転する。ステアリングシャフト92の回転運動は、ピニオンギア96によりラック軸97の直線運動に変換され、ラック軸97の変位量に応じた角度に一対の車輪98が操舵される。
操舵トルクセンサ94は、ステアリングシャフト92の途中に設けられ、運転者の操舵トルクtrqを検出してECU101に通知する。
電動パワーステアリング装置90は、「制御装置」としてのECU101、例えば3相ブラシレスモータである「3相回転機」としてのモータ801、及び、減速ギア89等を含む。なお、図2におけるECUの符号「101」及びモータの符号「801」は、図1に示される構成の符号を記す。
ECU101は、操舵トルクtrqに基づいて、モータ801が所望のアシストトルクを発生するようにモータ801の駆動を制御する。モータ801が出力したアシストトルクは、減速ギア89を介してステアリングシャフト92に伝達される。
また、例えば車両の走行中に車輪が縁石に乗り上げたとき、車輪98が急激に転舵され、ラック軸97等の負荷側からモータ801に外力が逆入力される可能性がある。
[ECUの構成]
図1にECU101の全体構成を示す。モータ801は、U相コイル81、V相コイル82、W相コイル83からなる3相巻線84を一組有する3相ブラシレスモータである。
ECU101は、「電力変換器」としてのインバータ60、電流センサ70、マイコン67、及び、駆動回路(又はプリドライバ)68等を備えている。
ここで、モータ801の巻線84、3相巻線84に通電するインバータ60、及び、巻線84への通電を制御する一群の構成要素の単位を「系統」と定義する。第1〜第6実施形態のECU101は、一組の3相巻線84を有するモータ801を駆動する一系統の制御装置である。また、図17に示されるように、第7実施形態のECU107は、二組の3相巻線841、842を有するモータ802を駆動する二系統の制御装置である。
インバータ60は、6個のスイッチング素子61−66の動作により、バッテリ11の直流電力を3相交流電力に変換して3相巻線84に通電する。
スイッチング素子61−66は、例えばMOSFETで構成され、ブリッジ接続されている。スイッチング素子61、62、63は、それぞれU相、V相、W相の上アームのスイッチング素子であり、スイッチング素子64、65、66は、それぞれU相、V相、W相の下アームのスイッチング素子である。
インバータ60の入力部には、電源リレー12及び平滑コンデンサ13が設けられている。インバータ60の高電位線と低電位線との間の電圧、すなわち平滑コンデンサ13の両端電圧を「入力電圧Vr」といい、例えば電圧センサにより検出される。
本実施形態のマイコン67は、指令演算部20及び入力電圧判定部50等を含む。指令演算部20は、インバータ60を操作してモータ801の通電を制御する電流指令値及び電圧指令値を演算する。
入力電圧判定部50は、入力電圧Vrが「通常動作時の動作範囲」内であるか否か判定する。以下、「通常動作時の動作範囲」を省略し、適宜「通常動作範囲」と記す。また、入力電圧判定部50により入力電圧Vrが通常動作時の動作範囲外であると判定された時を「電圧超過時」という。
ここで、「通常動作時」とは、外力が逆入力されることなく、インバータ60から供給される電力のみによってモータ801が力行動作している時を意味する。つまり、モータ801に外力が逆入力されている時は「通常動作時でない」とみなされる。
なお、通常動作時でないことと異常とは異なる。本明細書において、外力の逆入力は、「正常状態のインバータ60及びモータ801において生じ得る通常動作以外の現象」として認識される。また、外力が逆入力されていても入力電圧Vrが通常動作範囲内である時には、通常動作時の制御に準じた制御が行われる。
電流センサ70は、電流検出素子71、72、73により、モータ801に流れる各相電流Iu、Iv、Iwを検出し、マイコン67の指令演算部20にフィードバックする。
回転角センサ85は、モータ801の電気角θを検出し、マイコン67の指令演算部20に通知する。
指令演算部20は、操舵トルクtrq、相電流Iu、Iv、Iw及び電気角θ等の情報に基づいて指令値を演算する。指令演算部20が演算した指令値に基づいてインバータ60が動作することにより、モータ801の通電が制御される。
指令演算部20の詳細な構成は、実施形態毎に多少異なる。各実施形態では、指令演算部の符号として、「20」に続く3桁目に実施形態の番号を記す。
ところで、例えば車両の走行中に車輪が縁石に乗り上げ、負荷側からモータ801に外力が逆入力されると、逆起電圧が発生することによりインバータ60の入力電圧Vrが上昇し、それに伴って相電流Iu、Iv、Iwが増加する。特に高速走行中に車輪98が急激に転舵されたような場合、通常動作範囲を大幅に上回る入力電圧Vrが印加される可能性がある。その結果、通常動作時の判定処理に影響が及ぶことや、制御変動が生じることが懸念される。
従来技術の特許文献1(特開2011−031713号公報)には、外力の逆入力時に強め界磁制御を実施して回転自体を制動することが記載されているが、異常判定処理への影響や制御変動を抑制することについては言及されていない。
そこで本実施形態のECUは、外力の逆入力に起因する制御への影響を抑制することを目的とするものである。以下、実施形態毎に詳しく説明する。
(第1実施形態)
第1実施形態について、図3、図4を参照して説明する。
図3に示すように、第1実施形態では、マイコン67は指令演算部201及び異常判定部55を有する。図3では、3相の電圧Vu、Vv、Vw及び電流Iu、Iv、Iwを、それぞれまとめて1本の線で表す。また、座標変換演算用の電気角θについて、回転角センサ85からの信号線を省略して入力矢印のみを記す。第2実施形態以下の制御ブロック図において、図3と実質的に同一の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。
指令演算部201は、ベクトル制御による電流フィードバック制御の構成として、dq軸電流指令値演算部21、電流偏差算出器235、236、制御器245、246、2相3相変換部29、3相2相変換部31を備える。
なお、3桁符号の末尾の「5」はd軸電流又は電圧に関する構成を意味し、「6」はq軸電流又は電圧に関する構成を意味する。
電流指令値演算部21は、操舵トルクtrq等に基づいてdq軸電流指令値Id*、Iq*を演算する。第2〜第5実施形態では電流指令値演算部21の図示を省略する。
3相2相変換部31は、電流センサ70が検出した相電流Iu、Iv、Iwを、電気角θを用いて3相2相変換し、dq軸の実電流Id、Iqをフィードバックする。
電流偏差算出器235は、d軸電流指令値Id*と、d軸電流Idとの電流偏差ΔIdを算出する。電流偏差算出器236は、q軸電流指令値Iq*と、q軸電流Iqとの電流偏差ΔIqを算出する。
d軸電流制御器245は、電流偏差ΔIdを0に近づけるように、PI制御によりd軸電圧指令値Vdを演算する。q軸電流制御器246は、電流偏差ΔIqを0に近づけるように、PI制御によりq軸電圧指令値Vqを演算する。
2相3相変換部29は、電気角θを用いてdq軸電圧指令値Vd、Vqを2相3相変換して3相電圧指令値Vu、Vv、Vwを生成し、インバータ60に出力する。
インバータ60は、3相電圧指令値Vu、Vv、Vwに基づいて生成されるPWM信号によりスイッチング素子61−66が動作することにより、バッテリ11の直流電力を変換し、モータ801に3相電圧Vu_i、Vv_i、Vw_iを印加する。
次に、異常判定部55は、インバータ60又はモータ801の巻線81、82、83に流れる相電流Iu、Iv、Iwが電流閾値を超えたとき、過電流異常であると判定する。詳しくは、異常判定部55は、正弦波状に正負に変化する相電流Iu、Iv、Iwが正の電流閾値を上回るか、負の電流閾値を下回ったとき、或いは、相電流Iu、Iv、Iwの絶対値が電流閾値を上回ったとき、過電流異常であると判定する。
通常動作時に、インバータ60のスイッチング素子61−66や電流経路の短絡故障、又は、モータ801内の巻線81、82、83の天絡もしくは地絡故障等が発生すると、異常判定部55により過電流異常が判定される。
このとき、指令演算部201がインバータ60の駆動を停止することにより、フェールセーフが実現される。また、例えばECU101から車内LANを経由して車両ECUに異常情報を通知し、運転者に警告を報知する等の異常時処置が取られる。
ところが、外力の逆入力により発生した逆起電圧によって一時的に相電流Iu、Iv、Iwが増加した場合、素子や電流経路の短絡故障でないにもかかわらず、異常判定部55により過電流異常と誤判定されるおそれがある。その結果、インバータ60の駆動が停止され、操舵アシスト機能が失われるという不都合が生じる。また、警告によって運転者に過剰な不安を与えるおそれがある。
そこで、第1実施形態では、入力電圧判定部50により入力電圧Vrが通常動作範囲を超えていると判定された電圧超過時に、入力電圧判定部50から異常判定部55に対し、過電流異常判定を中止するように指令する。
図4に、入力電圧判定部50の判定結果に応じて異常判定部55による過電流異常判定を実施又は中止する処理のフローチャートを示す。この処理は、ECU101の動作中、繰り返し実行される。以下のフローチャートの説明で、記号Sは「ステップ」を表す。また、第2〜第6実施形態の各フローチャートでは、図4と実質的に同一のステップには同一の符号を付して説明を省略する。
入力電圧判定部50は、S11で入力電圧Vrを取得する。S12では、入力電圧Vrが、通常動作範囲の上限値に設定される電圧閾値Vrthより大きいか否か判断される。
入力電圧Vrが閾値Vrth以下であり、通常動作範囲内にあるとき、S12でNOと判断され、S14に移行する。
S14では、異常判定部55は、相電流の絶対値|I#|が電流判定閾値Ithより大きいか否か判断する。ここで、記号「#」は、「u、v、w」のいずれかを表す。また、絶対値での判定に代えて、正負の相電流I#を、それぞれ正の電流閾値、及び、負の電流閾値と比較してもよい。
S14でYESと判断されたとき、素子や電流経路の短絡故障が発生している可能性があるため、ECU101は、S15で、インバータ60の駆動を停止し、電源リレー12の遮断や運転者への警告等の異常時処置を行う。
S14でNOと判断されたとき、通常動作時であって正常時であると考えられるため、そのまま処理を終了する。
入力電圧Vrが閾値Vrthより大きく、通常動作範囲外にあるとき、S12でYESと判断され、S13に移行する。S13では、入力電圧判定部50は、異常判定部55に対し、過電流異常判定の中止を指令する。これにより、誤判定によって操舵アシスト機能が失われることや不要な警告が報知されることが防止される。
このように第1実施形態では、電圧超過時に過電流異常判定を中止することで、外力の逆入力に起因する入力電圧Vr及び相電流Iu、Iv、Iwの変化を無視するように制御を切り替える。よって、外力の逆入力に起因する制御への影響を好適に抑制することができる。
(第2実施形態)
第2実施形態について、図5、図6を参照して説明する。
図5には、第2実施形態の指令演算部202におけるd軸電流制御器245及びq軸電流制御器246の詳細構成を示す。各電流制御器245、246は、比例ゲイン乗算器2451、2461、積分ゲイン乗算器2452、2462、積分器2453、2463、及び加算器2454、2464を有する。
各比例ゲイン乗算器2451、2461は、電流偏差ΔId、ΔIqに比例ゲインKpを乗じて比例項を演算する。各積分ゲイン乗算器2452、2462は、電流偏差ΔId、ΔIqに積分ゲインKiを乗じる。その乗算値を積分器2453、2463が積分し、積分項を演算する。加算器2454、2464は、比例項と積分項とを加算する。
以下、比例ゲインKpと積分ゲインKiとをまとめて「PIゲイン」という。
電圧超過時、入力電圧判定部50は、各電流制御器245、246の比例ゲイン乗算器2451、2461及び積分ゲイン乗算器2452、2462に対し、PIゲインを通常動作時よりも小さくするように指令する。
図6のフローチャートにおいて、S12でYESと判断されると、S20で、指令演算部202は、制御器245、246のPIゲインを小さくする。これにより、電流フィードバック制御の応答性が低下する。
第2実施形態では、電圧超過時に電流フィードバック制御の応答性を低下させることで、外力の逆入力に起因する制御変動を抑制することができる。
(第3実施形態)
第3実施形態について、図7、図8を参照して説明する。
図7に示すように、第3実施形態の指令演算部203は、フィードバック電流経路に実線で示す切替部353及びフィルタ355、356、又は、電圧指令経路に破線で示す切替部253及びフィルタ255、256のうち、少なくとも一方の組を備えている。
切替部353、253は、それぞれ、dq軸実電流Id、Iq、及び、dq軸電圧指令値Vd、Vqについて、フィルタ355、356、255、256を通らない経路と通る経路とを切り替える。
フィルタ355、356、255、256は、一次遅れフィルタであり、入力の周波数に応じて位相を遅らせたフィルタ値を出力する。
フィルタ355、356は、それぞれ、d軸電流フィルタ値Id_flt及びq軸電流フィルタ値Iq_fltを出力する。フィルタ255、256は、それぞれ、d軸電圧指令フィルタ値Vd_flt及びq軸電圧指令フィルタ値Vq_fltを出力する。
通常動作時、切替部353は、dq軸実電流Id、Iqがフィルタ355、356を通らない側に設定されている。また、切替部253は、dq軸電圧指令値Vd、Vqがフィルタ255、256を通らない経路に設定されている。
電圧超過時、入力電圧判定部50は、切替部353に対し、dq軸実電流Id、Iqがフィルタ355、356を通る側に切り替えるように指令する。また、入力電圧判定部50は、切替部253に対し、dq軸電圧指令値Vd、Vqがフィルタ255、256を通る側に切り替えるように指令する。図7には、その状態が図示される。
図8のフローチャートにおいて、S12でYESと判断されると、S30で、指令演算部203は、実電流又は電圧指令値をフィルタ値に切り替える。これにより、電流フィードバック制御の応答性が低下する。
第3実施形態では、第2実施形態と同様に電圧超過時に電流フィードバック制御の応答性を低下させることで、外力の逆入力に起因する制御変動を抑制することができる。
(第4実施形態)
第4実施形態について、図9〜図11を参照して説明する。
図9に示すように、第4実施形態の指令演算部204は、ガード値設定部264、及びd軸電圧指令値制限部(図中「Vd制限部」)265を備える。d軸電圧指令値制限部265は、ガード値設定部264により設定されたガード値Vd_grdでd軸電圧指令値Vdを制限し、最終d軸電圧指令値Vdfを出力する。
図10(a)に示すように、通常動作時の制御では、負の値であるd軸電圧指令値Vdは、負のガード値Vd_grd以上に制限される。言い換えれば、d軸電圧指令値の絶対値|Vd|は、ガード値の絶対値|Vd_grd|以下に制限される。
また、図9に示すように、指令演算部204は、q軸電圧指令値制限部(図中「Vq制限部」)266を備える。図10(b)に示すように、q軸電圧指令値制限部266は、q軸電圧指令最大値Vqsでq軸電圧指令値Vqを制限し、最終q軸電圧指令値Vqfを出力する。ここで、q軸電圧指令最大値Vqsは、最大電圧Vm及び最終d軸電圧指令値Vdfに基づいて、式(1)で算出される。
Vqs=√(Vm2−Vdf2) ・・・(1)
図10(c)の電圧ベクトル図にこれらの関係を表す。ハッチングを付したブロック矢印はd軸電圧指令値Vdの制限を示し、白抜きブロック矢印はq軸電圧指令値Vqの制限を示す。
通常動作時、負のガード値Vd_grdは、比較的小さな値、すなわち絶対値が比較的大きな値に設定されている。ここで、通常動作時にd軸電圧指令値Vdが実質的に制限されない構成は、ガード値の絶対値|Vd_grd|が、想定され得るd軸電圧指令値の絶対値|Vd|よりも十分大きな値に設定された場合と等価であると解釈する。
電圧超過時、入力電圧判定部50は、ガード値設定部264に対し、負のガード値Vd_grdを大きくし、0に近づけるように指令する。通常動作時に実質的にd軸電圧指令値Vdが制限されない場合、これにより、d軸電圧指令値Vdが制限されるようになる。
なお、最終d軸電圧指令値Vdfに基づくq軸電圧指令値Vqの制限は、通常動作時及び電圧超過時において同様に実施される。
図11のフローチャートにおいて、S12でYESと判断されると、S41で、指令演算部204は、負のガード値Vd_grdを大きくする。言い換えれば、0に近づける。
S42では、制御器245が出力した負のd軸電圧指令値Vdがガード値Vd_grdと比較される。
「Vd≧Vd_grd」のとき、S42でYESと判断され、S43で、d軸電圧指令値Vdが最終d軸電圧指令値Vdfとして出力される。
「Vd<Vd_grd」のとき、S42でNOと判断され、S44で、ガード値Vd_grdが最終d軸電圧指令値Vdfとして出力される。
S45では、式(1)によりq軸電圧指令最大値Vqsが算出される。S46では、制御器246が出力したq軸電圧指令値Vqがq軸電圧指令最大値Vqsと比較される。
「Vq≦Vqs」のとき、S46でYESと判断され、S47で、q軸電圧指令値Vqが最終q軸電圧指令値Vqfとして出力される。
「Vq>Vqs」のとき、S46でNOと判断され、S48で、q軸電圧指令最大値Vqsが最終q軸電圧指令値Vqfとして出力される。
S49では、最終d軸電圧指令値Vdf及び最終q軸電圧指令値Vqfが2相3相変換され、インバータ601に指令される。
第4実施形態では、電圧超過時にd軸電圧指令値Vdを制限する、或いは、通常動作時における制限をより厳しくすることで、外力の逆入力に起因する制御変動を抑制することができる。ここで、d軸電圧指令値Vdを優先して制限し、q軸電圧指令値Vqの制限を緩和することで、要求トルクの減少を回避することができる。
なお、他の実施形態ではq軸電圧指令値Vqを優先して制限してもよく、或いは、d軸電圧指令値Vd及びq軸電圧指令値Vqの両方を制限してもよい。
また、電圧指令値Vd、Vqに代えて、電流指令値Id*、Iq*の絶対値をガード値の絶対値以下に制限してもよい。
(第5実施形態)
第5実施形態について、図12、図13を参照して説明する。
図12に示すように、第5実施形態の指令演算部205は、実線で示すq軸電圧指令値ホールド部(図中「Vqホールド部」)276、又は、破線で示すd軸電圧指令値ホールド部(図中「Vdホールド部」)275等の一つ以上の指令値ホールド部を有している。その他の指令値ホールド部としては、dq軸電流指令値、3相電圧指令値又はDUTYのホールド部が設けられてもよい。
ここでは、q軸電圧指令値ホールド部276の例で説明する。
q軸電圧指令値ホールド部276は、通常動作時におけるq軸電圧指令値Vqを例えば所定周期で更新しつつ、ある期間にわたって記憶保持する。通常動作時から電圧超過時に移行した後、入力電圧判定部50は、q軸電圧指令値ホールド部276に記憶された移行直前の通常動作時のホールド値Vqhを継続して用いるように指令する。したがって、通常動作時のホールド値Vqhが継続して2相3相変換部29に入力される。
図13のフローチャートにおいて、S12でYESと判断されると、S50で、指令演算部205は、通常動作時のq軸電圧指令値のホールド値Vqhを用いる。
第5実施形態では、外力の逆入力に起因する制御変動を抑制することができる。特に、q軸電圧指令値のホールド値Vqhを用いることで、モータ801のトルク変動が抑制される。
(第6実施形態)
第6実施形態について、図14〜図16を参照して説明する。
図14に示すように、第6実施形態では、第1実施形態と同様に相電流の過電流異常を判定する異常判定部55が設けられている。また、指令演算部206の電流指令値演算部21について、d軸電流指令値演算部(図中「Id*演算部」)215とq軸電流指令値演算部(図中「Iq*演算部」)216とを分けて示す。
d軸電流指令値演算部215は、電気角θの時間微分値である電気角速度ω[deg/s]を取得する。なお、本明細書では、電気角速度ω[deg/s]に所定の比例定数を乗じて得られる回転数について、「回転数ω」と記す。
d軸電流指令値演算部215は、強め界磁制御によりモータ回転数ωに応じてd軸電流指令値Id*を演算する。詳しくは図15(a)に示すように、モータ回転数ωが大きいほど、正のd軸電流指令値Id*が大きくなるように演算される。
q軸電流指令値演算部216は、操舵トルクtrqに応じて要求されるアシストトルクが出力されるようにq軸電流指令値Iq*を演算する。
図15(b)に示すように、強め界磁制御では正のd軸電圧指令値Vdが生成される。
q軸電圧指令値制限部266は、第4実施形態と同様に、最大電圧Vmの二乗とd軸電圧指令値Vdの二乗との差分の平方根として算出されるq軸電圧指令最大値Vqsでq軸電圧指令値Vqを制限し、最終q軸電圧指令値Vqfを出力する。
図16のフローチャートにおいて、S12でNOと判断された場合の処理は図4と同様である。S12でYESと判断されると、S13で、異常判定部55は、過電流異常判定を中止し、S61に移行する。なお、S13とS61〜S64との実行順序は問わない。
S61では、強め界磁制御によりモータ回転数ωに応じてd軸電流指令値Id*が演算され、S62で、d軸電圧指令値Vdが演算される。S63では、d軸電圧指令値Vdに基づき、q軸電圧指令値Vqが制限される。S64では、d軸電圧指令値Vd及び最終q軸電圧指令値Vqfが2相3相変換され、インバータ601に指令される。
第6実施形態では、電圧超過時に過電流異常判定を中止して誤判定を防止するとともに、特許文献1の従来技術と同様に強め界磁制御を行い、外力の逆入力によるモータ回転を制動する。これにより、上昇した入力電圧Vrを迅速に低下させて通常動作範囲内の値に戻すことで、過電流異常判定を含む通常動作時の制御に早期に復帰させることができる。
その他、第2〜第5実施形態による電圧超過時の各制御と、強め界磁制御とを組み合わせて実施してもよい。なお、指令値をホールドする第5実施形態において、q軸電圧指令値Vqのみをホールドする場合、強め界磁制御によりd軸電圧指令値Vdを正側に動かすことが可能である。
(第7実施形態)
第7実施形態について、図17〜図18を参照して説明する。
全体構成を図17に示すように、第7実施形態のECU107は、互いに磁気的に結合する二組の3相巻線841、842を有するモータ802を駆動する二系統の制御装置である。ECU107は、インバータ601、602、電流センサ701、702、マイコン67、駆動回路68等を備えている。マイコン67は、指令演算部207及び入力電圧判定部50等を含む。
以下、一系統の制御装置の構成に対し、二系統の制御装置に特有の構成を中心に説明する。その他、一系統の制御装置と共通の事項については、重複する説明を省略する。
モータ802の第1巻線841、第1巻線841に通電する第1インバータ601、及び、第1巻線841への通電を制御する一群の構成要素は、「第1系統」を構成する。また、モータ802の第2巻線842、第1巻線842に通電する第2インバータ602、及び、第2巻線842への通電を制御する一群の構成要素は、「第2系統」を構成する。
図中、第1系統の構成要素には名称の前に「第1」を記し、第2系統の構成要素には名称の前に「第2」を記す。また、第1系統の構成要素には符号の3桁目に「1」を付し、第2系統の構成要素には符号の3桁目に「2」を付す。同様に、電流、電圧の記号の末尾数字「1」、「2」は、第1系統又は第2系統の電流、電圧であることを示す。
モータ802における第2巻線842の各相コイル812、822、832は、第1巻線841の各相コイル811、821、831に対し、例えば電気角30°の位置関係に配置されている。このような巻線841、842の構成は、特許第5556845号公報(以下「参照文献」という)の図3等に開示されている。
第1インバータ601は、6個のスイッチング素子611、621、631、641、651、661(又は「611−661」と記す)を含む。第2インバータ602は、6個のスイッチング素子612、622、632、642、652、662(又は「612−662」と記す)を含む。
第1インバータ601は、入力電圧Vr1を変換し、モータ802の第1巻線841に3相電圧Vu1_i、Vv1_i、Vw1_iを印加する。第2インバータ602は、入力電圧Vr2を変換し、第2巻線842に3相電圧Vu2_i、Vv2_i、Vw2_iを印加する。
第1インバータ601及び第2インバータ602は、互いの位相差が30°である交流電流を3相巻線841、842に出力する。
並列に接続された第1インバータ601及び第2インバータ602の入力部には、各系統の電源リレー121、122及び平滑コンデンサ13が設けられている。
第1系統の電流センサ701は、電流検出素子711、721、731により第1系統の3相電流Iu1、Iv1、Iw1を検出し、指令演算部207にフィードバックする。
第2系統の電流センサ702は、電流検出素子712、722、732により第2系統の3相電流Iu2、Iv2、Iw2を検出し、指令演算部207にフィードバックする。
指令演算部207は、操舵トルクtrq、相電流Iu1、Iv1、Iw1、Iu2、Iv2、Iw2、及び電気角θのフィードバック情報等に基づいてモータ802の通電を制御する。入力電圧判定部50は、入力電圧Vr1、Vr2の情報を取得する。
図18に示す指令演算部207は、二系統の実電流の和と差をフィードバック制御するものである。この和と差の制御は、上記参照文献等に開示されており、トルクリップルの抑制や熱特性の改善に有効である。
図18では、d軸及びq軸の電流、電圧をまとめて1本の線で表す。
二系統の指令演算部207は、一系統の指令演算部201等に対し、系統毎の2相3相変換部291、292及び3相2相変換部311、312を有している。ここで、3桁符号の末尾の「1」、「2」は系統の番号を意味する。
また、指令演算部207は、和制御器443及び差制御器444を有しており、この場合、3桁符号の末尾の「3」は二系統の和を意味し、「4」は二系統の差を意味する。
さらに、指令演算部207は、電流指令値加減算部42、フィードバック(図中「F/B」)電流加減算部32、及び系統電圧算出部48を備えている。
電流指令値加減算部42は、電流指令値Id*、Iq*を加減算し、電流指令値の和であるId和*、Iq和*、及び、電流指令値の差であるId差*、Iq差*を算出する。二系統の電気的特性は同等であるから、Id和*、Iq和*はId*、Iq*の2倍に相当し、Id差*、Iq差*は「0」に相当する。
なお、電流指令値加減算部42を設けず、「Id和*=2×Id*、Iq和*=2×Iq*、Id差*=0、Iq差*=0」に設定する構成としてもよい。
第1系統の3相2相変換部311は、電流センサ701が検出した相電流Iu1、Iv1、Iw1を、電気角θを用いて3相2相変換し、dq軸の実電流Id1、Iq1をフィードバックする。
第2系統の3相2相変換部312は、電流センサ702が検出した相電流Iu2、Iv2、Iw2を、電気角(θ+30°)を用いて3相2相変換し、dq軸の実電流Id2、Iq2をフィードバックする。
フィードバック電流加減算部32は、3相2相変換部311、312が座標変換した二系統のフィードバック電流Id1、Iq1、Id2、Iq2を加減算し、フィードバック電流の和であるId和、Iq和、及び、フィードバック電流の差であるId差、Iq差を算出する。
電流偏差算出器433は、Id和*、Iq和*と、Id和、Iq和との偏差ΔId和、ΔIq和を算出する。
電流偏差算出器434は、Id差*(=0)、Iq差*(=0)と、Id差、Iq差との偏差ΔId差、ΔIq差を算出する。
和制御器443は、電流和の偏差ΔId和、ΔIq和を0に近づけるように、PI制御により、二系統のdq軸電圧指令値の和であるVd和、Vq和を演算する。
差制御器444は、電流差の偏差ΔId差、ΔIq差を0に近づけるように、PI制御により、二系統のdq軸電圧指令値の差であるVd差、Vq差を演算する。
ここで、図5に示す制御器245、246の構成と同様に、和制御器443及び差制御器444は、それぞれ、dq軸電流の和と差について比例ゲインKp及び積分ゲインKiを乗算するゲイン乗算器を有している。
系統電圧算出部48は、式(2.1)〜(2.4)により、Vd和、Vq和、及び、Vd差、Vq差に基づいて、各系統のdq軸電圧指令値Vd1、Vq1、及び、Vd2、Vq2を算出する。
Vd1=(Vd和+Vd差)/2 ・・・(2.1)
Vq1=(Vq和+Vq差)/2 ・・・(2.2)
Vd2=(Vd和−Vd差)/2 ・・・(2.3)
Vq2=(Vq和−Vq差)/2 ・・・(2.4)
第1系統の2相3相変換部291は、電気角θを用いてdq軸電圧指令値Vd、Vqを2相3相変換して3相電圧指令値Vu1、Vv1、Vw1を生成し、第1インバータ601に出力する。
第2系統の2相3相変換部292は、電気角(θ+30°)を用いてdq軸電圧指令値Vd、Vqを2相3相変換して3相電圧指令値Vu2、Vv2、Vw2を生成し、第2インバータ602に出力する。
入力電圧判定部50は、二系統の入力電圧Vr1、Vr2を取得し、少なくとも一方の入力電圧Vr1、Vr2が電圧閾値Vrthより大きいとき、電圧超過時であると判定すする。この場合、入力電圧判定部50は、一系統の制御装置における電圧超過時の各処理を実施可能であるが、ここでは、第2実施形態に準じたPIゲインを小さくする処理について説明する。
電圧超過時にPIゲインを小さくする第一の処理例では、破線矢印及び実線矢印で示すように、和制御器443及び差制御器444の両方のPIゲインを小さくする。これにより、電流フィードバック制御の応答性を全体的に低下させることができる。この例では、和と差の制御でなく系統毎の制御で各系統のPIゲインを小さくする場合と同等の効果が得られると考えられる。
電圧超過時にPIゲインを小さくする第二の処理例では、実線矢印で示すように、差制御器444のみのPIゲインを小さくする。
参照文献の図14(b)に開示されているように、二系統の電流位相差が30°である構成において、差の制御では6次成分が互いに同じ位相となる。そのため、モータ802の高回転時に誘起電圧が大きくなると、歪が大きくなり、音や振動を発生するという問題が生じる。そこで、電圧超過時に差制御器444のPIゲインを優先して小さくすることで、6次成分の影響を低減することができる。さらに参照文献の知見に基づくと、高回転領域ほど差制御器444のPIゲインを小さくすることが好ましい。
図19に、第7実施形態による処理のフローチャートを示す。
入力電圧判定部50は、S71で二系統の入力電圧Vr1、Vr2を取得する。S72では、入力電圧Vr1又はVr2が電圧閾値Vrthより大きいか否か判断される。
S72でYESと判断されると、S73で、指令演算部207は、和制御器443及び差制御器444の両方のPIゲイン、又は、差制御器444のみのPIゲインを小さくする。これにより、上述の効果が得られる。
(その他の実施形態)
(a)発明の制御装置は、入力電圧Vrが通常動作範囲外であると判定されたとき、第2〜第5、第7実施形態に例示した制御の切り替え以外の形態で「外力の逆入力に起因する制御変動を抑制する」ように制御を切り替えてもよい。
(b)第7実施形態において、二組の3相巻線の配置、及びそれに基づく二系統の電流位相差は、上記参照文献に記載の通り、電気角(30±60×n(nは整数))°として一般化することができる。
(c)本発明は、3相モータに限らず、4相以上の多相回転機にも同様に適用可能である。また、本発明は、電動パワーステアリング装置の操舵アシストモータに限らず、負荷側から外力が逆入力される可能性のあるどのようなモータにも適用可能である。
以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。
101、107・・・ECU(制御装置)、
201−207・・・指令演算部、
50 ・・・入力電圧判定部、
60、601、602・・・インバータ(電力変換器)、
61−66、611−661、612−662・・・スイッチング素子、
801、802・・・モータ(3相回転機、多相回転機)。

Claims (9)

  1. 通常動作時に負荷にトルクを出力し、且つ、通常動作時以外に負荷側から外力が逆入力される可能性のある多相回転機(801)の駆動を制御する制御装置であって、
    複数のスイッチング素子(61−66)の動作により直流電力を多相交流電力に変換し、前記多相回転機に供給する一つ以上の電力変換器(60)と、
    前記電力変換器を操作して前記多相回転機の通電を制御する指令値を演算する指令演算部(201、206)と、
    前記電力変換器の高電位線と低電位線との間の電圧である入力電圧(Vr)が通常動作時の動作範囲内であるか否か判定する入力電圧判定部(50)と、
    前記電力変換器又は前記多相回転機の巻線に流れる相電流が電流閾値を超えたとき、過電流異常であると判定する異常判定部(55)と、
    を備え、
    前記入力電圧判定部により前記入力電圧が通常動作時の動作範囲外であると判定された電圧超過時に、前記異常判定部は、過電流異常の判定を中止する多相回転機の制御装置。
  2. 前記指令演算部(203)は、前記電圧超過時に、通常動作時よりも制御応答性を低下させ、外力の逆入力に起因する制御変動を抑制するように、制御を切り替える請求項に記載の多相回転機の制御装置。
  3. 前記指令演算部(204)は、電流指令値又は電圧指令値の絶対値をガード値の絶対値以下に制限する構成において、前記電圧超過時に、通常動作時よりも前記ガード値を0に近づけ、外力の逆入力に起因する制御変動を抑制するように、制御を切り替える請求項に記載の多相回転機の制御装置。
  4. 通常動作時に負荷にトルクを出力し、且つ、通常動作時以外に負荷側から外力が逆入力される可能性のある多相回転機(801、802)の駆動を制御する制御装置であって、
    複数のスイッチング素子(61−66、611−661、612−662)の動作により直流電力を多相交流電力に変換し、前記多相回転機に供給する一つ以上の電力変換器(60、601、602)と、
    前記電力変換器を操作して前記多相回転機の通電を制御する指令値を演算する指令演算部(202、207)と、
    前記電力変換器の高電位線と低電位線との間の電圧である入力電圧(Vr、Vr1、Vr2)が通常動作時の動作範囲内であるか否か判定する入力電圧判定部(50)と、
    を備え、
    前記入力電圧判定部により前記入力電圧が通常動作時の動作範囲外であると判定された電圧超過時に、外力の逆入力に起因する制御変動を抑制するように、制御を切り替えるものであり、
    前記指令演算部は、電流指令値とフィードバックされた実電流との偏差を0に近づけるように電圧指令値をPI演算する制御器(245、246)を有し、
    前記電圧超過時に、前記制御器の比例ゲイン及び積分ゲインを通常動作時よりも小さくし、通常動作時よりも制御応答性を低下させる多相回転機の制御装置。
  5. 二組の3相巻線(841、842)を有する3相回転機(802)の駆動を制御する制御装置であって、
    互いの位相差が電気角(30±60×n(nは整数))°である交流電流を前記二組の3相巻線に出力する二系統の電力変換器(601、602)を備え、
    前記指令演算部(207)は、
    二系統の電流指令値の和とフィードバックされた二系統の実電流の和との偏差を0に近づけるように二系統の電圧指令値の和をPI演算する和制御器(443)と、
    二系統の電流指令値の差とフィードバックされた二系統の実電流の差との偏差を0に近づけるように二系統の電圧指令値の差をPI演算する差制御器(444)と、を有し、
    前記入力電圧判定部により、二系統の入力電圧(Vr1、Vr2)のうち少なくとも一方が通常動作時の動作範囲外であると判定された電圧超過時に、前記和制御器及び前記差制御器の両方、又は、前記差制御器のみの比例ゲイン及び積分ゲインを通常動作時よりも小さくする請求項4に記載の多相回転機の制御装置。
  6. 通常動作時に負荷にトルクを出力し、且つ、通常動作時以外に負荷側から外力が逆入力される可能性のある多相回転機(801)の駆動を制御する制御装置であって、
    複数のスイッチング素子(61−66)の動作により直流電力を多相交流電力に変換し、前記多相回転機に供給する一つ以上の電力変換器(60)と、
    前記電力変換器を操作して前記多相回転機の通電を制御する指令値を演算する指令演算部(205)と、
    前記電力変換器の高電位線と低電位線との間の電圧である入力電圧(Vr)が通常動作時の動作範囲内であるか否か判定する入力電圧判定部(50)と、
    を備え、
    前記入力電圧判定部により前記入力電圧が通常動作時の動作範囲外であると判定された電圧超過時に、外力の逆入力に起因する制御変動を抑制するように、制御を切り替えるものであり、
    前記指令演算部は、通常動作時における電流指令値又は電圧指令値を記憶保持する指令値ホールド部(275、276)を有し、
    前記電圧超過時に、前記指令値ホールド部に記憶された通常動作時の電圧指令値又は電流指令値を継続して用いる多相回転機の制御装置。
  7. 前記電力変換器又は前記多相回転機の巻線に流れる相電流が電流閾値を超えたとき、過電流異常であると判定する異常判定部(55)をさらに備え、
    前記電圧超過時、前記異常判定部は、過電流異常の判定を中止する請求項4〜6のいずれか一項に記載の多相回転機の制御装置。
  8. 前記電圧超過時に、前記多相回転機の回転数に応じて正のd軸電流を大きくするように強め界磁制御を行う請求項〜7のいずれか一項に記載の多相回転機の制御装置。
  9. 車両の電動パワーステアリング装置においてアシストトルクを出力する前記多相回転機の駆動を制御する請求項1〜8のいずれか一項に記載の多相回転機の制御装置。
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