JP2009165259A - 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

Abstract

【課題】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や電機子巻線鎖交磁束数Φが変動しても高い精度でモータを駆動できるようにする。
【解決手段】角度算出部２４はロータの角度θを求め、角速度算出部２５はロータの角速度ω_e を求める。指令電流算出部２１は、操舵トルクＴと車速Ｓに基づき、ｄｑ軸上の指令電流ｉ_d ^*、ｉ_q ^*を求める。オープンループ制御部２２は、指令電流ｉ_d ^* 、ｉ_q ^* と角速度ω_e に基づき、モータの回路方程式に従いｄｑ軸上の指令電圧ｖ_d 、ｖ_q を求める。ｄｑ軸／３相変換部２３は、指令電圧ｖ_d 、ｖ_q を３相の指令電圧に変換する。Ｒ算出部２６およびΦ算出部２８は、温度センサ６で検出したモータ１の温度Ｔｐ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Ｒと電機子巻線鎖交磁束数Φとをそれぞれ求める。
【選択図】図２

Description

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、特許文献１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、特許文献２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。
特開２００１−１８７５７８号公報 特開２０００−１８４７７３号公報

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。

＜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、Ｒ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ω_e 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ｉ_d ^*、後者をｑ軸指令電流ｉ_q ^*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ｉ_d ^*とｑ軸指令電流ｉ_q ^*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ｉ_q ^*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ｉ_d ^*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ｉ_d ^* 、ｑ軸指令電流ｉ_q ^* および角速度ω_e 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ｖ_d 、後者をｑ軸指令電圧ｖ_q という）。ｄ軸指令電圧ｖ_d とｑ軸指令電圧ｖ_q 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。
ｖ_d＝（Ｒ＋ＰＬ_d）ｉ_d ^*−ω_eＬ_qｉ_q ^* …（１）
ｖ_q＝（Ｒ＋ＰＬ_q）ｉ_q ^*＋ω_eＬ_dｉ_d ^*＋ω_eΦ …（２）
ただし、式（１）と（２）において、ｖ_d はｄ軸指令電圧、ｖ_q はｑ軸指令電圧、ｉ_d ^*はｄ軸指令電流、ｉ_q ^*はｑ軸指令電流、ω_e はロータの角速度、Ｒは電機子巻線抵抗を含む回路抵抗、Ｌ_d はｄ軸の自己インダクタンス、Ｌ_q 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、Ｌ_d 、Ｌ_q 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ｖ_d とｑ軸指令電圧ｖ_q 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ｖ_d とｑ軸指令電圧ｖ_q に基づき、次式（３）〜（５）を用いてｕ相指令電圧Ｖ_u 、ｖ相指令電圧Ｖ_v およびｗ相指令電圧Ｖ_w を求める。
Ｖ_u＝√（２／３）×｛ｖ_d×ｃｏｓθ−ｖ_q×ｓｉｎθ｝ …（３）
Ｖ_v＝√（２／３）×｛ｖ_d×ｃｏｓ（θ−２π／３）
−ｖ_q×ｓｉｎ（θ−２π／３）｝ …（４）
Ｖ_w＝−Ｖ_u−Ｖ_v …（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ｉ_d ^* 、ｉ_q ^* 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ｖ_d 、ｖ_q を求める処理と、指令電圧ｖ_d 、ｖ_q を３相の指令電圧Ｖ_u 、Ｖ_v 、Ｖ_w 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Ｖ_u 、Ｖ_v 、Ｖ_w 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、Ｒ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ｖ_q 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ｖ_d 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ｖ_q 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。

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。

符号の説明

２…減速機、７…ロータ、１３…モータ駆動回路、２０…マイコン、１０１…ハンドル

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。

Images