WO2009087991A1 - 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

モータ制御装置および電動パワーステアリング装置 Download PDF

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temperature
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Takeshi Ueda
Shigeki Nagase
Hiroshi Sumasu
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Jtekt Corporation
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    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D5/00—Power-assisted or power-driven steering
    • B62D5/04—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear
    • B62D5/0457—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear characterised by control features of the drive means as such
    • B62D5/0481—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear characterised by control features of the drive means as such monitoring the steering system, e.g. failures
    • B62D5/0496—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear characterised by control features of the drive means as such monitoring the steering system, e.g. failures by using a temperature sensor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B62D5/046—Controlling the motor
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/14—Estimation or adaptation of machine parameters, e.g. flux, current or voltage
    • H02P21/16—Estimation of constants, e.g. the rotor time constant

Definitions

  • the present invention relates to a motor control device and an electric power steering device including the motor control device.
  • an electric power steering device that gives a steering assist force to a steering mechanism of a vehicle by driving an electric motor in accordance with a steering torque applied to a steering wheel (steering wheel) by a driver has been used.
  • a brush motor has been widely used as an electric motor of an electric power steering apparatus.
  • a brushless motor has also been used in recent years from the viewpoint of improving reliability and durability and reducing inertia.
  • the motor control device detects a current flowing through the motor, and performs PI control (proportional integral control) based on the difference between the current to be supplied to the motor and the detected current.
  • PI control proportional integral control
  • a motor control device that drives a three-phase brushless motor is provided with two or three current sensors in order to detect a current of two or more phases.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-187578 discloses that a d-axis command voltage and a q-axis command voltage are obtained using a motor circuit equation.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2000-184773 discloses correcting a d-axis command current in accordance with the temperature of the motor.
  • the current sensor In the motor control device included in the electric power steering device, the current sensor needs to detect a large current of 100 A or more. This current sensor is large in size and hinders downsizing of the control device of the electric power steering device. For this reason, in a motor control device included in an electric power steering device or the like, reduction of current sensors is an issue. If the number of current sensors can be reduced, the cost and power consumption of the motor control device can be reduced.
  • the number of current sensors is reduced to one and the same feedback control as before is performed, or all current sensors are removed, and open loop control (feed forward control) is performed according to the motor circuit equation. Possible ways to do this.
  • the former method originally requires one current sensor, and depending on the rotational position of the rotor of the motor, the single current sensor may not be able to detect multiple phases of current necessary for feedback control. There is a problem that the control of the motor becomes discontinuous. Further, the latter method has a problem that the motor cannot be driven correctly when parameters included in the circuit equation of the motor fluctuate according to changes in the ambient temperature.
  • an object of the present invention is to provide a motor control device that can drive a motor with high accuracy even when a parameter at the time of calculating a motor drive voltage varies, and an electric power steering device including the motor control device.
  • a first invention is a motor control device for driving a motor, An open loop control means for obtaining a level of a command voltage used for driving the motor according to a circuit equation of the motor based on a command current value indicating an amount of current to be supplied to the motor and an angular velocity of a rotor in the motor; Motor driving means for driving the motor using the voltage of the level obtained by the open loop control means; Temperature detecting means for detecting a temperature of the motor or a temperature at which the temperature can be estimated; Based on the temperature detected by the temperature detecting means, the circuit resistance including the armature winding resistance and the armature winding interlinkage magnetic flux included in the circuit equation of the motor, which is a parameter used when determining the level of the command voltage And a parameter calculation means for obtaining at least one of the number.
  • the parameter calculation means is a table or a mathematical expression showing a correspondence relationship between the temperature detected by the temperature detection means and at least one of the circuit resistance including the armature winding resistance and the number of flux linkage magnetic fluxes. It is held in advance, and at least one of the circuit resistance including the armature winding resistance and the number of armature winding interlinkage magnetic fluxes is obtained based on the table or formula.
  • Position detecting means for detecting the position of the rotor in the motor which is a brushless motor;
  • Angular velocity detection means for calculating the angular velocity of the rotor based on the position detected by the position detection means;
  • the open loop control means obtains the level of the command voltage based on the angular velocity calculated by the angular velocity detection means.
  • the fourth invention is an electric power steering device including the motor control device according to any one of the first to third inventions.
  • the circuit resistance including the armature winding resistance and the armature winding linkage magnetic flux which are parameters used when determining the level of the command voltage based on the temperature detected by the temperature detecting means. At least one of the numbers is required. Therefore, even when these parameters fluctuate due to temperature changes, the motor can be driven with high accuracy and a desired motor output can be obtained.
  • At least one of the circuit resistance including the armature winding resistance and the number of the armature winding interlinkage magnetic fluxes can be easily obtained by using a previously held table or mathematical expression.
  • the motor control can be performed with a simple configuration.
  • the motor can be driven with high accuracy and a desired motor output can be obtained, smooth steering assistance is possible.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of an electric power steering apparatus according to an embodiment of the present invention, together with the configuration of a vehicle related thereto.
  • the electric power steering apparatus shown in FIG. 1 includes a column including a brushless motor 1, a speed reducer 2, a torque sensor 3, a vehicle speed sensor 4, a position detection sensor 5, and an electronic control unit (hereinafter referred to as ECU) 10. This is an assist type electric power steering apparatus.
  • a steering wheel (steering wheel) 101 is fixed to one end of the steering shaft 102, and the other end of the steering shaft 102 is connected to a rack shaft 104 via a rack and pinion mechanism 103. Both ends of the rack shaft 104 are connected to a wheel 106 via a connecting member 105 composed of a tie rod and a knuckle arm.
  • a connecting member 105 composed of a tie rod and a knuckle arm.
  • the electric power steering device performs the following steering assistance in order to reduce the load on the driver.
  • the torque sensor 3 detects a steering torque T applied to the steering shaft 102 by operating the handle 101.
  • the vehicle speed sensor 4 detects the vehicle speed S.
  • the position detection sensor 5 detects the rotational position P of the rotor of the brushless motor 1.
  • the position detection sensor 5 is composed of, for example, a resolver.
  • ECU10 receives supply of electric power from vehicle-mounted battery 100, and drives brushless motor 1 based on steering torque T, vehicle speed S, and rotation position P.
  • the brushless motor 1 generates a steering assist force when driven by the ECU 10.
  • the speed reducer 2 is provided between the brushless motor 1 and the steering shaft 102.
  • the steering assist force generated by the brushless motor 1 acts to rotate the steering shaft 102 via the speed reducer 2.
  • the steering shaft 102 is rotated by both the steering torque applied to the handle 101 and the steering assist force generated by the brushless motor 1.
  • the electric power steering apparatus performs steering assist by applying the steering assist force generated by the brushless motor 1 to the steering mechanism of the vehicle.
  • the electric power steering device is characterized by a control device (motor control device) that drives the brushless motor 1. Therefore, hereinafter, a motor control device included in the electric power steering device according to the embodiment will be described.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the motor control device according to the first embodiment of the present invention.
  • the motor control device shown in FIG. 2 is configured using an ECU 10 and drives a brushless motor 1 having u-phase, v-phase, and w-phase three-phase windings (not shown).
  • the ECU 10 includes a phase compensator 11, a microcomputer (hereinafter simply referred to as a microcomputer) 20, a three-phase / PWM (Pulse Width Modulation) modulator 12, and a motor drive circuit 13.
  • a microcomputer hereinafter simply referred to as a microcomputer
  • PWM Pulse Width Modulation
  • the ECU 10 includes a steering torque T output from the torque sensor 3, a vehicle speed S output from the vehicle speed sensor 4, a rotational position P output from the position detection sensor 5, and a temperature sensor 6 (not shown in FIG. 1).
  • the temperature Tp of the brushless motor 1 output from is input.
  • the phase compensator 11 performs phase compensation on the steering torque T.
  • the microcomputer 20 functions as control means for obtaining the level of the command voltage used for driving the brushless motor 1. Details of the function of the microcomputer 20 will be described later.
  • the three-phase / PWM modulator 12 and the motor drive circuit 13 are configured by hardware (circuit) and function as motor drive means for driving the brushless motor 1 using a voltage at a level obtained by the microcomputer 20.
  • the three-phase / PWM modulator 12 generates three types of PWM signals (U, V, and W shown in FIG. 2) having a duty ratio corresponding to the three-phase voltage level obtained by the microcomputer 20.
  • the motor drive circuit 13 is a PWM voltage source inverter circuit including six MOS-FETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) as switching elements. The six MOS-FETs are controlled by three types of PWM signals and their negative signals.
  • the motor drive circuit 13 By controlling the conduction state of the MOS-FET using the PWM signal, a three-phase drive current (U-phase current, V-phase current and W-phase current) is supplied to the brushless motor 1.
  • the motor drive circuit 13 has a plurality of switching elements and functions as a switching circuit that supplies current to the brushless motor 1.
  • a shunt resistor may be provided between the motor drive circuit 13 and the negative side (ground) or the positive side of the power source.
  • the microcomputer 20 executes a program stored in a memory (not shown) built in the ECU 10 to thereby execute a command current calculation unit 21, an open loop control unit 22, a dq axis / three-phase conversion unit 23, and an angle calculation unit. 24, an angular velocity calculation unit 25, a resistance calculation unit 26, and a ⁇ calculation unit 28.
  • the microcomputer 20 should be given to the motor drive circuit 13 according to the circuit equation of the motor based on the command current value indicating the amount of current to be supplied to the brushless motor 1 and the angular velocity of the rotor of the brushless motor 1 as shown below.
  • the level of voltage (hereinafter referred to as command voltage) is obtained.
  • the angle calculation unit 24 calculates a rotation angle (hereinafter referred to as an angle ⁇ ) of the rotor of the brushless motor 1 based on the rotation position P detected by the position detection sensor 5.
  • the angular velocity calculation unit 25 obtains the angular velocity ⁇ e of the rotor of the brushless motor 1 based on the angle ⁇ .
  • the u axis, the v axis, and the w axis are set for the brushless motor 1 and the d axis and the q axis are set for the rotor 7 of the brushless motor 1
  • the u axis and the d axis are set. Is an angle ⁇ .
  • the command current calculation unit 21 obtains a d-axis current and a q-axis current to be supplied to the brushless motor 1 based on the steering torque T after phase compensation (output signal of the phase compensator 11) and the vehicle speed S (hereinafter, the former is referred to as the former).
  • d-axis command current i d * the latter is called q-axis command current i q * ).
  • the command current calculation unit 21 has a built-in table (hereinafter referred to as an assist map) that stores the correspondence between the steering torque T and the command current using the vehicle speed S as a parameter, and refers to the assist map. To obtain the command current.
  • i d * and q-axis command current i q * can be obtained.
  • the q-axis command current i q * obtained by the command current calculation unit 21 is a current value with a sign, and the sign indicates a steering assist direction. For example, when the sign is positive, steering assistance for turning to the right is performed, and when the sign is minus, steering assistance for turning to the left is performed. Further, the d-axis command current i d * is typically set to zero.
  • the open loop control unit 22 obtains a d-axis voltage and a q-axis voltage to be supplied to the brushless motor 1 based on the d-axis command current i d * , the q-axis command current i q * and the angular velocity ⁇ e (hereinafter, the former is referred to as the former).
  • d-axis command voltage v d the latter is called q-axis command voltage v q ).
  • the d-axis command voltage v d and the q-axis command voltage v q are calculated using the motor circuit equations shown in the following equations (1) and (2).
  • v d (R + PL d ) i d * ⁇ e L q i q * (1)
  • v q (R + PL q ) i q * + ⁇ e L d i d * + ⁇ e ⁇ (2)
  • v d is a d-axis command voltage
  • v q is a q-axis command voltage
  • i d * is a d-axis command current
  • i q * is a q-axis command current
  • ⁇ e is a rotor.
  • R is the circuit resistance including the armature winding resistance
  • L d is the d-axis self-inductance
  • L q is the q-axis self-inductance
  • ⁇ is the U, V, and W-phase armature winding flux linkage ⁇ (3/2) times the maximum value
  • P is a differential operator.
  • R, L d , L q and ⁇ are treated as known parameters.
  • the circuit resistance R includes a wiring resistance between the brushless motor 1 and the ECU 10, a resistance of the motor driving circuit 13 in the ECU 10, a wiring resistance, and the like.
  • the dq axis / 3-phase converter 23 converts the d-axis command voltage v d and the q-axis command voltage v q obtained by the open loop control unit 22 into a command voltage on the three-phase AC coordinate axis. More particularly, dq axis / three-phase conversion section 23, based on the d-axis command voltage v d and the q-axis command voltage v q, using the following equation (3) ⁇ (5) u-phase command voltage V u, The v-phase command voltage V v and the w-phase command voltage V w are obtained.
  • V u ⁇ (2/3) ⁇ ⁇ v d ⁇ cos ⁇ v q ⁇ sin ⁇ (3)
  • V v ⁇ (2/3) ⁇ ⁇ v d ⁇ cos ( ⁇ -2 ⁇ / 3) ⁇ v q ⁇ sin ( ⁇ 2 ⁇ / 3) ⁇ (4)
  • V w ⁇ V u ⁇ V v (5) Note that the angle ⁇ included in the equations (3) and (4) is obtained by the angle calculation unit 24.
  • the microcomputer 20 obtains the command currents i d * and i q * on the dq coordinate axis, the process for obtaining the command voltages v d and v q on the dq coordinate axis according to the motor circuit equation, and the command voltage v d. , V q are converted into three-phase command voltages V u , V v , V w .
  • the three-phase / PWM modulator 12 outputs three types of PWM signals based on the three-phase command voltages V u , V v and V w obtained by the microcomputer 20.
  • the resistance calculator 26 and the ⁇ calculator 28 calculate an R value and a ⁇ value based on the temperature Tp of the brushless motor 1 received from the temperature sensor 6.
  • the reason why it can be calculated in this way is that the temperature Tp, the R value, and the ⁇ value are in a substantially proportional relationship. This relationship will be described with reference to FIG. 4 and FIG.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship example between the temperature Tp and the R value
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a relationship example between the temperature Tp and the ⁇ value.
  • the temperature Tp and the R value are in a substantially proportional relationship
  • the temperature Tp and the ⁇ value are also in a substantially proportional relationship. Therefore, by defining these correspondences with a predetermined table (map), a calculation formula, an approximate formula, and the like, the R value and the ⁇ value can be easily calculated from the temperature Tp. Therefore, the R calculation unit 26 and the ⁇ calculation unit 28 store the above-described table or formula, and calculate the R value and the ⁇ value based on the table or formula.
  • the R calculation unit 26 and the ⁇ calculation unit 28 output the R value and the ⁇ value obtained in this way to the open loop control unit 22.
  • the open loop control unit 22 uses the R value calculated by the R calculation unit 26 and the ⁇ value calculated by the ⁇ calculation unit 28 when obtaining the q-axis command voltage v q using the equation (2). .
  • R value calculated by R calculation unit 26 when obtaining the d-axis command voltage v d using Equation (1) is used.
  • the microcomputer 20 obtains the circuit resistance R including the armature winding resistance and the armature winding linkage magnetic flux number ⁇ included in the circuit equation of the motor, and when the q-axis command voltage v q is obtained, the R Value and ⁇ value are used.
  • the motor control device obtains the command voltage by open loop control according to the circuit equation of the motor based on the command current value and the angular velocity of the rotor, and based on the motor temperature detected by the temperature sensor.
  • the R and ⁇ included in the circuit equation are obtained and the command voltage is obtained, the R value and ⁇ value are used.
  • the motor control device of the present embodiment even when the R value and the ⁇ value included in the motor circuit equation fluctuate due to the temperature change, the R value is based on the temperature Tp of the motor 1 detected by the temperature sensor 6. By obtaining the ⁇ value and the ⁇ value, it is possible to drive the brushless motor with high accuracy and obtain a desired motor output.
  • the motor control device according to the present embodiment is not provided with a current sensor, the motor control device can be reduced in size, cost, and power consumption.
  • the motor control device performs open loop control
  • the motor control is not discontinuous, unlike the motor control device that performs feedback control using one current sensor. Therefore, according to the motor control device according to the present embodiment, it is possible to suppress sound and vibration.
  • the temperature Tp of the brushless motor 1 is detected by the temperature sensor 6, but a configuration in which the temperature related to the temperature of the motor 1 can be estimated may be detected.
  • the configuration may be such that the ambient temperature around the motor 1, the temperature of various boards (such as a controller control board or a power board) included in the ECU, or the ambient temperature around it. Since these temperatures are physically related to the internal temperature of the motor 1, the temperature rises similarly when the internal temperature of the motor 1 rises, and similarly falls when it falls. A certain amount of correspondence is recognized for the amount. Therefore, the internal temperature of the motor 1 can be estimated to some extent from these temperatures.
  • the R value and the ⁇ value are continuously (continuously) calculated at a predetermined control timing by the R calculation unit 26 and the ⁇ calculation unit 28, but a predetermined interval longer than the control interval is provided. Or may be performed only once when the apparatus is activated.
  • the table and the mathematical formula are described as directly calculating the R value and the ⁇ value from the temperature Tp, but may be calculated indirectly.
  • a correction coefficient indicating a change ratio according to the temperature Tp with respect to the R value and ⁇ value as predetermined initial values is calculated by a table or a mathematical formula, and is calculated with respect to the R value and ⁇ value as initial values.
  • the R value and the ⁇ value used as parameters may be calculated by multiplying the correction coefficient.
  • the brushless motor 1 is controlled according to the circuit equation of the motor.
  • the brushless motor 1 may be controlled.
  • the angular velocity of the motor is obtained by the angle calculation unit 24 based on the rotational position P detected by the position detection sensor 5, but instead of these, the angular velocity is detected directly by providing the motor with an angular velocity detection sensor. It may be.
  • the current detection sensor is not provided, but may be provided for the purpose of detecting a failure. Even in such a case, the brushless motor can be driven with high accuracy when the R value and the ⁇ value fluctuate due to temperature changes, and a desired motor output can be obtained.

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Abstract

　角度算出部はロータの角度を求め、角速度算出部はロータの角速度を求める。指令電流算出部は、操舵トルクと車速に基づき、ｄｑ軸上の指令電流を求める。オープンループ制御部は、指令電流と角速度 に基づき、モータの回路方程式に従いｄｑ軸上の指令電圧を求める。ｄｑ軸／３相変換部は、指令電圧を３相の指令電圧に変換する。抵抗算出部およびΦ算出部は、温度センサで検出したモータの温度に基づき、予め記憶されたテーブル等を参照して、モータの回路方程式に含まれる電機子巻線抵抗を含む回路抵抗と電機子巻線鎖交磁束数とをそれぞれ求める。

Description

モータ制御装置および電動パワーステアリング装置
　本発明は、モータ制御装置、およびモータ制御装置を備えた電動パワーステアリング装置に関する。
　従来から、運転者がハンドル（ステアリングホイール）に加える操舵トルクに応じて電動モータを駆動することにより車両のステアリング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が用いられている。電動パワーステアリング装置の電動モータには従来からブラシモータが広く使用されているが、信頼性および耐久性の向上や慣性の低減などの観点から、近年ではブラシレスモータも使用されている。
　一般にモータ制御装置は、モータで発生するトルクを制御するために、モータに流れる電流を検出し、モータに供給すべき電流と検出した電流との差に基づきＰＩ制御（比例積分制御）を行う。３相ブラシレスモータを駆動するモータ制御装置には、２相以上の電流を検出するために、２個または３個の電流センサが設けられる。
　なお、本願発明に関連して、特開２００１－１８７５７８号公報には、モータの回路方程式を用いてｄ軸指令電圧とｑ軸指令電圧を求めることが開示されている。また、特開２０００－１８４７７３号公報には、モータの温度に応じてｄ軸指令電流を補正することが開示されている。
　電動パワーステアリング装置に含まれるモータ制御装置では、電流センサは１００Ａ以上の大電流を検出する必要がある。この電流センサは、サイズが大きく、電動パワーステアリング装置の制御装置の小型化を妨げている。このため、電動パワーステアリング装置などに含まれるモータ制御装置では、電流センサの削減が課題とされている。電流センサを削減できれば、モータ制御装置のコストや消費電力も低減できる。
　電流センサを削減する方法としては、電流センサを１個に削減し、従来と同様のフィードバック制御を行う方法や、電流センサをすべて除去し、モータの回路方程式に従いオープンループ制御（フィードフォワード制御）を行う方法などが考えられる。
　しかしながら、前者の方法には、そもそも電流センサが１個必要となるし、モータのロータの回転位置によっては、その１個の電流センサではフィードバック制御に必要な複数相の電流を検出できないことがあり、モータの制御が不連続になるという問題がある。また、後者の方法には、モータの回路方程式に含まれるパラメータが特に周囲温度の変化に応じて変動すると、モータを正しく駆動できなくなるという問題がある。
　それ故に、本発明は、モータ駆動電圧算出時のパラメータが変動するときでも高い精度でモータを駆動できるモータ制御装置、およびこれを備えた電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。
　第１の発明は、モータを駆動するモータ制御装置であって、
　前記モータに供給すべき電流の量を示す指令電流値と前記モータにおけるロータの角速度とに基づき、モータの回路方程式に従い前記モータの駆動に用いられる指令電圧のレベルを求めるオープンループ制御手段と、
　前記オープンループ制御手段で求めたレベルの電圧を用いて前記モータを駆動するモータ駆動手段と、
　前記モータの温度または当該温度を推定可能な温度を検出する温度検出手段と、
　前記温度検出手段で検出された温度に基づき、前記指令電圧のレベルを求めるときに使用するパラメータであるモータの回路方程式に含まれる電機子巻線抵抗を含む回路抵抗と電機子巻線鎖交磁束数との少なくとも一方を求めるパラメータ算出手段とを備えることを特徴とする置。
　第２の発明は、第１の発明において、
　前記パラメータ算出手段は、前記温度検出手段で検出される温度と、前記電機子巻線抵抗を含む回路抵抗および前記電機子巻線鎖交磁束数の少なくとも一方との対応関係を示すテーブルまたは数式を予め保持しており、当該テーブルまたは数式に基づき電機子巻線抵抗を含む回路抵抗と電機子巻線鎖交磁束数との少なくとも一方を求めることを特徴とする。
　第３の発明は、第１の発明において、
　ブラシレスモータである前記モータにおける前記ロータの位置を検出する位置検出手段と、
　前記位置検出手段で検出された位置に基づき、前記ロータの角速度を算出する角速度検出手段と
をさらに備え、
　前記オープンループ制御手段は、前記角速度検出手段により算出された角速度に基づき、前記指令電圧のレベルを求めることを特徴とする。
　第４の発明は、第１から第３までのいずれか１つの発明に係るモータ制御装置を備えた電動パワーステアリング装置である。
　上記第１の発明によれば、温度検出手段で検出された温度に基づき、指令電圧のレベルを求めるときに使用するパラメータである電機子巻線抵抗を含む回路抵抗と電機子巻線鎖交磁束数との少なくとも一方が求められる。したがって、これらのパラメータが温度変化によって変動するときでも、高い精度でモータを駆動し、所望のモータ出力を得ることができる。
　上記第２の発明によれば、予め保持されたテーブルまたは数式により、電機子巻線抵抗を含む回路抵抗と電機子巻線鎖交磁束数との少なくとも一方が簡単に求められる。
　上記第３の発明によれば、ブラシレスモータに通常備えられるロータ位置検出手段の検出結果に基づきロータ角速度の算出が行われるので、簡易な構成でモータ制御を行うことができる。
　上記第４の発明によれば、指令電圧のレベルを求めるときに使用する電機子巻線抵抗を含む回路抵抗と電機子巻線鎖交磁束数との少なくとも一方が温度変化によって変動するときでも、高い精度でモータを駆動し、所望のモータ出力を得ることができるので、スムーズな操舵補助が可能となる。
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構成を示すブロック図である。 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。 上記実施形態における３相ブラシレスモータの３相交流座標とｄｑ座標を示す図である。 上記実施形態において、温度ＴｐとＲ値との関係例を示す図である。 上記実施形態において、温度ＴｐとΦ値との関係例を示す図である。
＜１．全体構成＞
　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。図１に示す電動パワーステアリング装置は、ブラシレスモータ１、減速機２、トルクセンサ３、車速センサ４、位置検出センサ５、および電子制御ユニット（Electronic Control Unit ：以下、ＥＣＵという）１０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。
　図１に示すように、ステアリングシャフト１０２の一端にはハンドル（ステアリングホイール）１０１が固着されており、ステアリングシャフト１０２の他端はラックピニオン機構１０３を介してラック軸１０４に連結されている。ラック軸１０４の両端は、タイロッドおよびナックルアームからなる連結部材１０５を介して車輪１０６に連結されている。運転者がハンドル１０１を回転させると、ステアリングシャフト１０２は回転し、これに伴いラック軸１０４は往復運動を行う。ラック軸１０４の往復運動に伴い、車輪１０６の向きが変わる。
　電動パワーステアリング装置は、運転者の負荷を軽減するために、以下に示す操舵補助を行う。トルクセンサ３は、ハンドル１０１の操作によってステアリングシャフト１０２に加えられる操舵トルクＴを検出する。車速センサ４は、車速Ｓを検出する。位置検出センサ５は、ブラシレスモータ１のロータの回転位置Ｐを検出する。位置検出センサ５は、例えばレゾルバで構成される。
　ＥＣＵ１０は、車載バッテリ１００から電力の供給を受け、操舵トルクＴ、車速Ｓおよび回転位置Ｐに基づきブラシレスモータ１を駆動する。ブラシレスモータ１は、ＥＣＵ１０によって駆動されると、操舵補助力を発生させる。減速機２は、ブラシレスモータ１とステアリングシャフト１０２との間に設けられる。ブラシレスモータ１で発生した操舵補助力は、減速機２を介して、ステアリングシャフト１０２を回転させるように作用する。
　この結果、ステアリングシャフト１０２は、ハンドル１０１に加えられる操舵トルクと、ブラシレスモータ１で発生した操舵補助力の両方によって回転する。このように電動パワーステアリング装置は、ブラシレスモータ１で発生した操舵補助力を車両のステアリング機構に与えることにより操舵補助を行う。
　本発明の実施形態に係る電動パワーステアリング装置は、ブラシレスモータ１を駆動する制御装置（モータ制御装置）に特徴がある。そこで以下では、一実施形態に係る電動パワーステアリング装置に含まれるモータ制御装置について説明する。
＜２．モータ制御装置の構成および動作＞
　図２は、本発明の第１の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。図２に示すモータ制御装置は、ＥＣＵ１０を用いて構成されており、ｕ相、ｖ相およびｗ相の３相巻線（図示せず）を有するブラシレスモータ１を駆動する。ＥＣＵ１０は、位相補償器１１、マイクロコンピュータ（以下、マイコンと略称する）２０、３相／ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）変調器１２、およびモータ駆動回路１３を備えている。
　ＥＣＵ１０には、トルクセンサ３から出力された操舵トルクＴ、車速センサ４から出力された車速Ｓ、位置検出センサ５から出力された回転位置Ｐ、および（図１では示されていない）温度センサ６から出力されたブラシレスモータ１の温度Ｔｐが入力される。位相補償器１１は、操舵トルクＴに対して位相補償を施す。マイコン２０は、ブラシレスモータ１の駆動に用いられる指令電圧のレベルを求める制御手段として機能する。マイコン２０の機能の詳細については、後述する。
　３相／ＰＷＭ変調器１２とモータ駆動回路１３は、ハードウェア（回路）で構成されており、マイコン２０で求めたレベルの電圧を用いてブラシレスモータ１を駆動するモータ駆動手段として機能する。３相／ＰＷＭ変調器１２は、マイコン２０で求めた３相の電圧のレベルに応じたデューティー比を有する３種類のＰＷＭ信号（図２に示すＵ、Ｖ、Ｗ）を生成する。モータ駆動回路１３は、スイッチング素子として６個のＭＯＳ－ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ）を含むＰＷＭ電圧形インバータ回路である。６個のＭＯＳ－ＦＥＴは、３種類のＰＷＭ信号とその否定信号によって制御される。ＰＷＭ信号を用いてＭＯＳ－ＦＥＴの導通状態を制御することにより、ブラシレスモータ１に対して３相の駆動電流（Ｕ相電流、Ｖ相電流およびＷ相電流）が供給される。このようにモータ駆動回路１３は、複数のスイッチング素子を有し、ブラシレスモータ１に電流を供給するスイッチング回路として機能する。なお、モータ駆動回路１３と電源のマイナス側（接地）またはプラス側との間にはシャント抵抗が設けられてもよい。
　マイコン２０は、ＥＣＵ１０に内蔵されたメモリ（図示せず）に格納されたプログラムを実行することにより、指令電流算出部２１、オープンループ制御部２２、ｄｑ軸／３相変換部２３、角度算出部２４、角速度算出部２５、抵抗算出部２６、およびΦ算出部２８として機能する。マイコン２０は、以下に示すように、ブラシレスモータ１に供給すべき電流の量を示す指令電流値とブラシレスモータ１のロータの角速度とに基づき、モータの回路方程式に従い、モータ駆動回路１３に与えるべき電圧（以下、指令電圧という）のレベルを求める。
　角度算出部２４は、位置検出センサ５で検出した回転位置Ｐに基づき、ブラシレスモータ１のロータの回転角（以下、角度θという）を求める。角速度算出部２５は、角度θに基づき、ブラシレスモータ１のロータの角速度ωe を求める。なお、図３に示すようにブラシレスモータ１に対してｕ軸、ｖ軸およびｗ軸を設定し、ブラシレスモータ１のロータ７に対してｄ軸およびｑ軸を設定したとき、ｕ軸とｄ軸のなす角が角度θとなる。
　指令電流算出部２１は、位相補償後の操舵トルクＴ（位相補償器１１の出力信号）と車速Ｓに基づき、ブラシレスモータ１に供給すべきｄ軸電流とｑ軸電流を求める（以下、前者をｄ軸指令電流ｉd *、後者をｑ軸指令電流ｉq *という）。より詳細には、指令電流算出部２１は、車速Ｓをパラメータとして、操舵トルクＴと指令電流との対応づけを記憶したテーブル（以下、アシストマップという）を内蔵しており、アシストマップを参照して指令電流を求める。アシストマップを用いることにより、ある大きさの操舵トルクが与えられたときに、その大きさに応じた適切な大きさの操舵補助力を発生させるためにブラシレスモータ１に供給すべきｄ軸指令電流ｉd *とｑ軸指令電流ｉq *を求めることができる。
　なお、指令電流算出部２１で求めるｑ軸指令電流ｉq *は符号付きの電流値であり、その符号は操舵補助の方向を示す。例えば、符号がプラスのときには右方向へ曲がるための操舵補助が行われ、符号がマイナスのときには左方向へ曲がるための操舵補助が行われる。また、ｄ軸指令電流ｉd *は、典型的にはゼロに設定される。
　オープンループ制御部２２は、ｄ軸指令電流ｉd * 、ｑ軸指令電流ｉq * および角速度ωe に基づき、ブラシレスモータ１に供給すべきｄ軸電圧とｑ軸電圧を求める（以下、前者をｄ軸指令電圧ｖd 、後者をｑ軸指令電圧ｖq という）。ｄ軸指令電圧ｖd とｑ軸指令電圧ｖq は、次式（１）と（２）に示すモータの回路方程式を用いて算出される。
　　ｖd＝（Ｒ＋ＰＬd）ｉd *－ωeＬqｉq * 　　　　・・（１）
　　ｖq＝（Ｒ＋ＰＬq）ｉq *＋ωeＬdｉd *＋ωeΦ　・・（２）
　ただし、式（１）と（２）において、ｖd はｄ軸指令電圧、ｖq はｑ軸指令電圧、ｉd *はｄ軸指令電流、ｉq *はｑ軸指令電流、ωe はロータの角速度、Ｒは電機子巻線抵抗を含む回路抵抗、Ｌd はｄ軸の自己インダクタンス、Ｌq はｑ軸の自己インダクタンス、ΦはＵ、Ｖ、Ｗ相電機子巻線鎖交磁束数の最大値の√（３／２）倍、Ｐは微分演算子である。このうちＲ、Ｌd 、Ｌq およびΦは、既知のパラメータとして扱われる。なお、上記回路抵抗Ｒには、ブラシレスモータ１とＥＣＵ１０との間の配線抵抗やＥＣＵ１０内でのモータ駆動回路１３の抵抗および配線抵抗などが含まれる。
　ｄｑ軸／３相変換部２３は、オープンループ制御部２２で求めたｄ軸指令電圧ｖd とｑ軸指令電圧ｖq を３相交流座標軸上の指令電圧に変換する。より詳細には、ｄｑ軸／３相変換部２３は、ｄ軸指令電圧ｖd とｑ軸指令電圧ｖq に基づき、次式（３）～（５）を用いてｕ相指令電圧Ｖu 、ｖ相指令電圧Ｖv およびｗ相指令電圧Ｖw を求める。
　　Ｖu＝√（２／３）×｛ｖd×ｃｏｓθ－ｖq×ｓｉｎθ｝　・・（３）
　　Ｖv＝√（２／３）×｛ｖd×ｃｏｓ（θ－２π／３）
　　　　　　　　　　　 －ｖq×ｓｉｎ（θ－２π／３）｝　　・（４）
　　Ｖw＝－Ｖu－Ｖv　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・（５）
　なお、式（３）と（４）に含まれる角度θは、角度算出部２４で求めたものである。
　このようにマイコン２０は、ｄｑ座標軸上の指令電流ｉd * 、ｉq * を求める処理と、モータの回路方程式に従いｄｑ座標軸上の指令電圧ｖd 、ｖq を求める処理と、指令電圧ｖd 、ｖq を３相の指令電圧Ｖu 、Ｖv 、Ｖw に変換する処理とを行う。３相／ＰＷＭ変調器１２は、マイコン２０で求めた３相の指令電圧Ｖu 、Ｖv 、Ｖw に基づき、３種類のＰＷＭ信号を出力する。これにより、ブラシレスモータ１の３相巻線には、各相の指令電圧に応じた正弦波状の電流が流れ、ブラシレスモータ１のロータは回転する。これに伴い、ブラシレスモータ１の回転軸には、ブラシレスモータ１を流れる電流に応じたトルクが発生する。発生したトルクは、操舵補助に用いられる。
　次に、抵抗算出部２６およびΦ算出部２８は、温度センサ６から受け取ったブラシレスモータ１の温度Ｔｐに基づき、Ｒ値およびΦ値を算出する。このように算出することができるのは、温度ＴｐとＲ値およびΦ値とがほぼ比例関係にあるからである。この関係について図４および図５を参照して説明する。
　図４は、温度ＴｐとＲ値との関係例を示す図であり、図５は、温度ＴｐとΦ値との関係例を示す図である。これら図４および図５を参照すればわかるように、温度ＴｐとＲ値とはほぼ比例関係にあり、また温度ＴｐとΦ値もほぼ比例関係にある。そこで、これらの対応関係を所定のテーブル（マップ）や算出式、近似式などで規定することにより、温度ＴｐからＲ値およびΦ値を容易に算出することができる。よって、Ｒ算出部２６およびΦ算出部２８は、予め定められた上記テーブルまたは式などを記憶しており、これに基づきＲ値およびΦ値を算出する。
　Ｒ算出部２６およびΦ算出部２８は、このようにして求めたＲ値およびΦ値をオープンループ制御部２２に対して出力する。オープンループ制御部２２は、式（２）を用いてｑ軸指令電圧ｖq を求めるときに、Ｒ算出部２６で算出されたＲ値とΦ算出部２８で算出されたΦ値とを使用する。なお、式（１）を用いてｄ軸指令電圧ｖd を求める場合にはＲ算出部２６で算出されたＲ値が使用される。このようにマイコン２０は、モータの回路方程式に含まれる電機子巻線抵抗を含む回路抵抗Ｒと電機子巻線鎖交磁束数Φとを求め、ｑ軸指令電圧ｖq を求めるときにそのＲ値およびΦ値を使用する。
　このように本実施形態に係るモータ制御装置は、指令電流値とロータの角速度とに基づき、モータの回路方程式に従いオープンループ制御により指令電圧を求めると共に、温度センサで検出したモータ温度に基づきモータの回路方程式に含まれるＲ，Φを求め、指令電圧を求めるときにはそのＲ値およびΦ値を使用する。
＜３．効果＞
　したがって、本実施形態に係るモータ制御装置によれば、モータの回路方程式に含まれるＲ値およびΦ値が温度変化によって変動するときでも、温度センサ６で検出したモータ１の温度Ｔｐに基づきＲ値およびΦ値を求めることにより、高い精度でブラシレスモータを駆動し、所望のモータ出力を得ることができる。
　また、本実施形態に係るモータ制御装置には、電流センサが設けられていないので、モータ制御装置の小型化、低コスト化および低消費電力化が可能となる。
　さらに本実施形態に係るモータ制御装置はオープンループ制御を行うので、１個の電流センサを用いてフィードバック制御を行うモータ制御装置とは異なり、モータの制御が不連続にならない。したがって、本実施形態に係るモータ制御装置によれば、音や振動を抑制することができる。
＜４．変形例＞
　上記実施形態では、温度センサ６によりブラシレスモータ１の温度Ｔｐが検出されるが、このモータ１の温度と関連する当該温度を推定可能な温度が検出される構成であってもよい。例えば、モータ１周辺の雰囲気温度や、ＥＣＵに含まれる各種基板（コントローラ制御基板やパワー基板など）の温度、またはその周辺の雰囲気温度などが検出される構成であってもよい。これらの温度はモータ１の内部温度と物理的に関連しているので、モータ１の内部温度が上昇すれば同様に上昇し、下降すれば同様に下降する関係にある。そしてその量もある程度の対応関係が認められる。したがって、これらの温度からモータ１の内部温度をある程度推定することができる。このことから、実験やシミュレーションなどに基づき、これらの温度とＲ値およびΦ値との関係を示すテーブルまたは式などを設定しＲ算出部２６およびΦ算出部２８に記憶させておけば、これに基づきＲ値およびΦ値を算出することができる。
　上記実施形態では、Ｒ算出部２６およびΦ算出部２８によりＲ値およびΦ値が所定の制御タイミングで連続的に（継続的に）算出されるが、上記制御間隔よりも長い所定の間隔を空けて算出されてもよいし、装置起動時に一回だけ行われてもよい。
　上記実施形態では、テーブルや数式は温度ＴｐからＲ値およびΦ値を直接に算出するものとして説明したが、間接的に算出するものであってもよい。例えば予め定められた初期値としてのＲ値およびΦ値に対する温度Ｔｐに応じた変化割合を示す補正係数をテーブルや数式などで算出し、初期値としてのＲ値およびΦ値に対して算出された補正係数を乗算することにより、パラメータとして使用されるＲ値およびΦ値を算出してもよい。
　上記実施形態では、ブラシレスモータ１をモータの回路方程式に従い制御する構成であるが、ブラシ付きモータを制御するものであってもよい。また、モータの角速度は、位置検出センサ５で検出した回転位置Ｐに基づき角度算出部２４により求められるが、これらに代えてモータに角速度検出センサが設けられることにより、角速度が直接検出される構成であってもよい。
　なお上記実施形態では、電流検出センサが設けられていないが、故障検出などの目的で設けられていてもよい。その場合であってもＲ値およびΦ値が温度変化によって変動するときに高い精度でブラシレスモータを駆動し、所望のモータ出力を得ることができる。

Claims (4)

  1. 　モータを駆動するモータ制御装置であって、
    　前記モータに供給すべき電流の量を示す指令電流値と前記モータにおけるロータの角速度とに基づき、モータの回路方程式に従い前記モータの駆動に用いられる指令電圧のレベルを求めるオープンループ制御手段と、
    　前記オープンループ制御手段で求めたレベルの電圧を用いて前記モータを駆動するモータ駆動手段と、
    　前記モータの温度または当該温度を推定可能な温度を検出する温度検出手段と、
    　前記温度検出手段で検出された温度に基づき、前記指令電圧のレベルを求めるときに使用するパラメータであるモータの回路方程式に含まれる電機子巻線抵抗を含む回路抵抗と電機子巻線鎖交磁束数との少なくとも一方を求めるパラメータ算出手段とを備えることを特徴とする、モータ制御装置。
  2. 　前記パラメータ算出手段は、前記温度検出手段で検出される温度と、前記電機子巻線抵抗を含む回路抵抗および前記電機子巻線鎖交磁束数の少なくとも一方との対応関係を示すテーブルまたは数式を予め保持しており、当該テーブルまたは数式に基づき電機子巻線抵抗を含む回路抵抗と電機子巻線鎖交磁束数との少なくとも一方を求めることを特徴とする、請求項１に記載のモータ制御装置。
  3. 　ブラシレスモータである前記モータにおける前記ロータの位置を検出する位置検出手段と、
    　前記位置検出手段で検出された位置に基づき、前記ロータの角速度を算出する角速度検出手段と
    をさらに備え、
    　前記オープンループ制御手段は、前記角速度検出手段により算出された角速度に基づき、前記指令電圧のレベルを求めることを特徴とする、請求項１に記載のモータ制御装置。
  4. 　請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のモータ制御装置を備えた、電動パワーステアリング装置。
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