JP5387878B2 - モータ制御装置 - Google Patents
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Description
しかし、回転角速度は回転位置検出部の出力信号に基づいて算出され、また、モータ電流値は電流検出部の検出結果から得られるものであるため、これらには高周波ノイズが含まれている。その結果として、非干渉化制御量にも高周波ノイズが含まれることになる。この高周波ノイズは、振動や異音の原因となり、たとえば、電動パワーステアリング装置の使用者に違和感を与え、操舵フィーリングを悪化させるおそれがある。
請求項2記載の発明は、前記モータが、電動パワーステアリング装置の駆動源であり、前記回転角速度平滑化手段のカットオフ周波数が、前記電動パワーステアリング装置の機械的特性によって定まる固有周波数以上の値である、請求項1記載のモータ制御装置である。
請求項3記載の発明は、前記電動パワーステアリング装置の機械的特性は、慣性、粘性および弾性である、請求項2記載のモータ制御装置である。
請求項4記載の発明は、前記補正値演算手段は、前記モータの非干渉化制御のための補正値を演算するものである、請求項1〜3のいずれか一項に記載のモータ制御装置である。この構成により、振動や異音を抑制しつつ、非干渉化制御によって、回転角速度やモータ電流値によらずに、モータの応答性および追従性を向上することができる。
Vq *=Vdbase+Dq ……B
Vdbase=(R+PLd)・Id * ……A1
Vqbase=(R+PLq)・Iq * ……B1
Dd=−ωLq・Iq * ……A2
Dq=ωLd・Id *+ωΦ ……B2
ただし、Rは電機子巻線抵抗(Ω)、Pは微分演算子、ωはモータの回転角速度(rad/秒)、Ldはd軸の自己インダクタンス(H)、Lqはq軸の自己インダクタンス(H)、Id *はd軸目標電流値(A)、Iq *はq軸目標電流値(A)、ΦはU相、V相、W相電機子巻線鎖交磁束数の最大値の√(3/2)倍をそれぞれ表す。
請求項5記載の発明は、前記基本電圧値演算手段が、平滑化された基本電圧を求めるための基本電圧値用平滑化手段(514,524,51a,52a)をさらに含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載のモータ制御装置である。
請求項6記載の発明は、前記基本電圧値用平滑化手段のカットオフ周波数が、前記補正値用平滑化手段のカットオフ周波数よりも低い、請求項5記載のモータ制御装置である。
モータの回路方程式(前記式A,B)に基づく基本電圧値は、たとえば、前記式A1,B1で表される。この場合に、モータの回路方程式に基づく補正値は、たとえば、前記式A2,B2で表される。
むろん、フィードバック制御の構成をとることもできる。より具体的には、モータ電流値を検出して検出電流値を生成する電流検出手段を設け、目標電流値と検出電流値との偏差に対するPI(比例積分)制御を行うことで、基本電圧値を演算する構成とすればよい。この場合には、PI制御における積分要素によって、目標電流値を平滑化する効果が得られる。
図1は、この発明の一実施形態に係るモータ制御装置を適用した電動パワーステアリング装置の電気的構成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、車両のステアリングホイールに加えられる操舵トルクを検出するトルクセンサ7と、車両の速度を検出する車速センサ8と、車両の舵取り機構3に操舵補助力を与えるモータ1と、このモータ1を駆動制御するモータ制御装置10とを備えている。モータ制御装置10は、トルクセンサ7が検出する操舵トルクおよび車速センサ8が検出する車速に応じてモータ1を駆動することによって、操舵状況に応じた適切な操舵補助を実現する。モータ1は、たとえば、三相ブラシレスDCモータである。
マイクロコンピュータ12は、プログラム処理(ソフトウェア処理)によって実現される複数の機能処理部を備えている。これらの複数の機能処理部には、基本目標電流値演算部15、dq軸目標電流値演算部16、dq軸電圧指令値演算部19(オープンループ制御部)、電圧指令値座標変換部20、PWM(パルス幅変調)制御部21、角度算出部22、および回転角速度演算部23が含まれている。
角度算出部22は、レゾルバ2によって検出された回転位置に基づいて、モータ1のロータの回転角(電気角)θを算出する。回転角速度演算部23(回転角速度演算手段)は、角度算出部22によって算出される回転角θを時間微分することによって、ロータの回転角速度ω(rad/秒)を算出する。
基本目標電流値演算部15により演算された基本目標電流値I*はdq軸目標電流値演算部16に入力される。dq軸目標電流値演算部16は、d軸方向の磁界を生成するためのd軸目標電流値Id *と、q軸方向の磁界を生成するためのq軸目標電流値Iq *とを演算する。d軸とは、モータ1のロータの有する界磁の磁束方向に沿う軸であり、q軸とは、d軸およびロータ回転軸に直交する軸である。dq軸目標電流値演算部16における演算は公知の演算式を用いて行うことができる。前記基本目標電流値演算部15およびdq軸目標電流値演算部16が、目標電流値設定手段を構成している。
図2は、dq軸電圧指令値演算部19の詳しい構成例(参考形態)を説明するためのブロック図である。
dq軸電圧指令値演算部19は、d軸電圧指令値演算部51、およびq軸電圧指令値演算部52を有する。
Vdbase=(R+PLd)・Id * ……(1)
d軸非干渉化制御量演算部512は、第2d軸ローパスフィルタ515によって平滑化されたq軸目標電流値Iq *と、回転角速度演算部23によって求められた回転角速度ωとに基づいて、次式(2)に従ってd軸非干渉化制御量Dd(d軸基本電圧値Vdbaseを補正するための補正値)を演算する。ただし、Lqはq軸の自己インダクタンスである。
d軸加算部513は、d軸基本電圧値Vdbaseにd軸非干渉化制御量Ddを加算(つまり、d軸基本電圧値Vdbaseをd軸非干渉化制御量Ddで補正)して、次式(3)のd軸電圧指令値Vd *を求める。
Vd *=Vdbase+Dd=(R+PLd)・Id *−ωLq・Iq * ……(3)
このd軸電圧指令値Vd *は、結局、モータの回路方程式(式(3))から求まるd軸電圧指令値に他ならない。
第2q軸ローパスフィルタ525は、d軸目標電流値Id *の高周波成分(高周波ノイズ)を除去する。第2q軸ローパスフィルタ525は、第2d軸ローパスフィルタ515と同様に、たとえば、一次遅れ要素(1/(T2s+1))で構成することができる。
Vqbase=(R+pLq)・Iq * ……(4)
q軸非干渉化制御量演算部522は、第2q軸ローパスフィルタ525によって平滑化されたd軸目標電流値Id *と、回転角速度演算部23によって求められた回転角速度ωとに基づいて、次式(5)に従ってq軸非干渉化制御量Dq(q軸基本電圧値Vqbaseを補正するための補正値)を演算する。ただし、Φは、U相、V相、W相電機子巻線鎖交磁束数の最大値の√(3/2)倍を表し、既知のパラメータである。
q軸加算部523は、q軸基本電圧値Vqbaseにq軸非干渉化制御量Dqを加算(つまり、q軸基本電圧値Vqbaseをq軸非干渉化制御量Dqで補正)して、次式(6)のq軸電圧指令値Vq *を求める。
Vq *=Vqbase+Dq=(R+pLq)・Iq *+ωLd・Id *+ωΦ ……(6)
このq軸電圧指令値Vq *は、結局、モータの回路方程式(式(6))から求まるq軸電圧指令値に他ならない。
以上のように、上記の構成によれば、モータ1から発生させるべきトルクに対応する基本電圧値Vdbase,Vqbaseの演算にローパスフィルタ514,524で平滑化した目標電流値Id *,Iq *を用い、非干渉化制御量Dd,Dqの演算にローパスフィルタ515,525で平滑化した目標電流値Iq *,Id *を用いている。これにより、高周波ノイズに起因する振動や異音を抑制することができる。また、基本電圧値Vdbase,Vqbaseの演算に用いる目標電流値Id *,Iq *を平滑化するローパスフィルタ514,524のカットオフ周波数ωc1は比較的低く設定されているので、目標電流値Id *,Iq *に含まれる高周波成分を充分に取り除くことができ、不快な振動および異音を効果的に抑制できる。一方、非干渉化制御量Dd,Dqの演算に用いられる目標電流値Iq *,Id *を平滑化するローパスフィルタ515,525のカットオフ周波数ωc2は比較的高く設定されている。これは、非干渉化制御量Dd,Dqを回転角速度ωの変動に充分な応答性で追従させるためである。これにより、モータ1の応答性能を、回転角速度ωや電流値によらずに安定化できるという、非干渉化制御による効果が阻害されることがない。つまり、非干渉化制御の応答性をほとんど犠牲にすることなく、高周波ノイズを除去でき、振動および異音の発生を抑制または防止できる。
この実施形態では、前述の図2に示された構成に加えて、回転角速度演算部23によって演算された回転角速度ωを平滑化するための角速度用ローパスフィルタ50が備えられている。この角速度用ローパスフィルタ50によって平滑化された回転角速度ωが、非干渉化制御量演算部512,522における非干渉化制御量Dd,Dqの演算のために用いられる。
1/{M・n2・s2+C・s+K} …… (7)
√{K/(M・n2)} …… (8)
ただし、Mはモータのロータの慣性モーメント、nは減速比、Cは摩擦係数、Kはトーションバーの弾性係数である。減速比nは、モータ1と舵取り機構3との間の減速機(図示せず)の減速比である。トーションバーとは、ステアリングシャフトの途中に介装されて、操舵トルクに応じてねじれを生じるものである。このトーションバーのねじれ量がトルクセンサ7によって検出される。
図6は、この発明の第2の実施形態に係るモータ制御装置の構成を説明するためブロック図であり、前述の図1の構成において、dq軸電圧指令値演算部19として用いることができる構成が示されている。なお、図6において、図5に示された各部に対応する部分には、同一の参照符号を付して示す。
このような構成によっても、回転角速度ωに含まれる高周波ノイズを除去して、振動を抑制し、併せて非干渉化制御量Dd,Dqの応答性を確保できる。
この参考形態では、非干渉化制御量演算部512,522での演算に用いる目標電流値Id *,Iq *を平滑化するためのローパスフィルタ515,525が省かれており、さらに、回転角速度ωを平滑化するためのローパスフィルタ50も省かれている。その代わりに、非干渉化制御量Dd,Dq全体を平滑化するための第3d軸ローパスフィルタ516および第3q軸ローパスフィルタ526が備えられている。そして、第3d軸ローパスフィルタ526で平滑化されたd軸非干渉化制御量Ddがd軸加算部513でd軸基本電圧値Vdbaseに加算されるようになっている。同様に、第3q軸ローパスフィルタ526で平滑化されたq軸非干渉化制御量Dqがq軸加算部523でq軸基本電圧値Vqbaseに加算されるようになっている。
図8は、この発明の実施形態および参考形態に係るモータ制御装置を適用することができる電動パワーステアリング装置の電気的構成を説明するためのブロック図である。この図8において、前述の図1に示された各部に対応する部分には同一の参照符号を付すこととし、それらについての詳細な説明を省く。
電流検出部11はモータ1の電機子巻線を流れる電流を検出する。より具体的には、電流検出部11は、3相(U相、V相およびW相)の電機子巻線における相電流をそれぞれ検出する電流検出器11u,11v,11wを有する。
電流検出部11から出力される相電流Iu,Iv,Iwはdq軸電流演算部17に入力される。dq軸電流演算部17は、角度算出部22によって算出された回転角θに基づいて、相電流Iu,Iv,Iwを座標変換することにより、d軸電流値Idおよびq軸電流値Iq(モータ電流値としての検出電流値)を演算する。dq軸電流演算部17における演算は公知の演算式を用いて行うことができる。
dq軸電圧指令値演算部19Aは、d軸偏差δIdに対応するd軸電圧指令値Vd *とq軸偏差δIqに対応するq軸電圧指令値Vq *とを求める。
dq軸電圧指令値演算部19Aは、d軸電圧指令値演算部51A、およびq軸電圧指令値演算部52Aを有する。d軸電圧指令値演算部51Aは、d軸偏差δIdを低減するように、d軸偏差δIdのPI演算(以下「d軸PI演算」という。)等に基づいてd軸電圧指令値Vd *を求める。q軸電圧指令値演算部52Aは、q軸偏差δIqを低減するように、q軸偏差δIqのPI演算(以下「q軸PI演算」という。)等に基づいてq軸電圧指令値Vq *を求める。
q軸電圧指令値演算部52Aは、q軸PI演算部52a、q軸非干渉化制御量演算部522、q軸加算部523、およびq軸ローパスフィルタ525を有する。つまり、前述の図2の参考形態におけるq軸電圧指令値演算部52との相違点は、第1q軸ローパスフィルタ524が備えられておらず、また、q軸基本電圧値演算部521に代えてq軸PI演算部52aが備えられていることである。ただし、この参考形態では、q軸非干渉化制御量Dqの演算には、dq軸電流演算部17によって演算されたd軸電流値Idが用いられている。すなわち、q軸ローパスフィルタ525は、d軸電流値Idに対して平滑化処理を行い、この平滑化処理後のd軸電流値Idがq軸非干渉化制御量演算部522での演算に用いられる。したがって、q軸非干渉化制御量Dq=ωLd・Id+ωΦと表される。
各PI演算部51a,52aは、比例要素および積分要素を含む。これらのうち積分要素は、偏差δId,δIqを平滑化する働きをもつ。これにより、目標電流値Id *,Iq *および検出電流値Id,Iqに含まれる高周波ノイズを除去することができる。したがって、基本電圧値Vdbase,Vqbaseの演算に用いる電流値Id *,Iq *,Id,Iqに対しては、別途の平滑化処理を行う必要はない。積分要素による平滑化処理のカットオフ周波数の調整は、比例ゲインおよび積分ゲインの調整によって行うことができる。
この参考形態は、図5および図6の実施形態と同様に変形することができる。すなわち、図10(第3の実施形態)に示すように、図9に示された構成に加えて、回転角速度ωを平滑化するための角速度用ローパスフィルタ50を設けてもよい。また、図11(第4の実施形態)に示すように、図10に示された構成から、非干渉化制御量Dd,Dqの演算のために用いる検出電流値Id,Iqを平滑化するためのローパスフィルタ515,525を省いてもよい。さらに、図12(参考形態)に示すように、ローパスフィルタ515,525,50の代わりに、非干渉化制御量Dd,Dq全体を平滑化するローパスフィルタ516,526を設けることとしてもよい。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
Claims (9)
- モータに供給すべき目標電流値を設定する目標電流値設定手段と、
この目標電流値設定手段によって設定された目標電流値に基づいて、前記モータを駆動するための基本電圧値を演算する基本電圧値演算手段と、
前記モータの回転角速度を演算する回転角速度演算手段と、
モータ電流値と、前記回転角速度演算手段によって演算される回転角速度とに基づいて、前記基本電圧値を補正するための補正値を演算する補正値演算手段と、
前記基本電圧値演算手段によって演算される基本電圧値を前記補正値演算手段によって演算された補正値で補正して電圧指令値を求める補正手段と、
この補正手段によって求められた電圧指令値を用いて前記モータを駆動する駆動手段とを含み、
前記補正値演算手段が、平滑化された補正値を求めるための補正値用平滑化手段を含み、
前記補正値用平滑化手段が、前記回転角速度演算手段によって演算される回転角速度を平滑化する回転角速度平滑化手段を含み、当該平滑化された回転角速度を用いて前記補正値を求めるものである、モータ制御装置。 - 前記モータが、電動パワーステアリング装置の駆動源であり、
前記回転角速度平滑化手段のカットオフ周波数が、前記電動パワーステアリング装置の機械的特性によって定まる固有周波数以上の値である、請求項1記載のモータ制御装置。 - 前記電動パワーステアリング装置の機械的特性は、慣性、粘性および弾性である、請求項2記載のモータ制御装置。
- 前記補正値演算手段は、前記モータの非干渉化制御のための補正値を演算するものである、請求項1〜3のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
- 前記基本電圧値演算手段が、平滑化された基本電圧を求めるための基本電圧値用平滑化手段をさらに含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
- 前記基本電圧値用平滑化手段のカットオフ周波数が、前記補正値用平滑化手段のカットオフ周波数よりも低い、請求項5記載のモータ制御装置。
- 前記基本電圧値用平滑化手段が、前記目標電流値設定手段によって設定される目標電流値を平滑化する目標電流値平滑化手段を含む、請求項5または6記載のモータ制御装置。
- 前記補正値用平滑化手段は、モータ電流値を平滑化する電流値平滑化手段を含む、請求項1〜7のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
- 前記基本電圧値演算手段と、前記補正値演算手段とが、モータの回路方程式に基づいて基本電圧値および補正値をそれぞれ求めるオープンループ制御手段を構成している、請求項1〜8のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
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