JP2008029088A

JP2008029088A - モータ用制御装置

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Publication number: JP2008029088A
Application number: JP2006197127A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Ueda; 武史上田; Shigeki Nagase; 茂樹長瀬
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2006-07-19
Filing date: 2006-07-19
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2026-07-19
Also published as: JP5083494B2

Abstract

【課題】電流検出のためにＰＷＭ信号のデューティ比の範囲を制限する必要がなく、電源電圧の利用率を向上してモータ性能を向上できる三相ブラシレスモータ用制御装置を提供する。
【解決手段】インバータ回路13′の複数のスイッチング素子を三相コイルの相電流に応じたＰＷＭ信号により開閉する。スイッチング素子が閉じることで流れ込む三相の中の二相のコイルの相電流を検出する第１、第２電流検出器11ｕ、11ｖを設ける。両電流検出器11ｕ、11ｖに対応するスイッチング素子の閉じ時間が電流検出許容域にある時は、三相コイルの相電流、端子電圧、速度起電力の間の記憶した関係と、求めた端子電圧と、求めた速度起電力と、両検出相電流から、残りの１相のコイルの相電流を求める。何れか一方の閉じ時間が電流検出許容域にない時は、その記憶した関係と、求めた端子電圧と、求めた速度起電力と、検出相電流から、残りの２相のコイルの相電流を求める。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば電動パワーステアリング装置における操舵補助力発生用三相ブラシレスモータを制御するためのモータ用制御装置に関する。

三相ブラシレスモータの電機子捲線を構成する三相のコイルにおける相電流を求め、そのモータへの電力供給ラインに配置されるインバータ回路を構成するスイッチング素子を、相電流に応じて生成されるＰＷＭ（パルス幅変調）信号により開閉することで、モータ出力を制御することが行なわれている。

三相のコイル全てにおける相電流を検出する場合、電流検出器の数が多くなるために制御装置のコスト低減や小型化が妨げられる。そこで、二相のコイルにおける相電流を検出し、残りの相のコイルにおける相電流を演算により求めることが提案されている（特許文献１参照）。
実用新案登録第２５５７４５７号公報

例えば図８に示すように、モータＭのＵ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルの相電流を検出する場合、インバータ回路５０１を構成するスイッチング素子であるＦＥＴ５０２ａ、５０２ｂと接地端との間に電流検出器５０５ａ、５０５ｂが配置される。電流検出器５０５ａ、５０５ｂは、検出用抵抗５０５ａ′、５０５ｂ′と、抵抗５０５ａ′、５０５ｂ′での電圧降下に基づき電流検出信号を生成する電流検出回路５０５ａ″、５０５ｂ″を有する。電流検出器５０５ａによりＵ相コイルの相電流が検出され、電流検出器５０５ｂによりＶ相コイルの相電流が検出され、Ｗ相コイルの相電流が演算により求められる。

この場合、Ｕ相コイルの相電流を検出するためには、抵抗５０５ａ′に電流が流れ込む必要があることからＦＥＴ５０２ａが閉じなければならず、また、Ｖ相コイルの相電流を検出するためには、抵抗５０５ｂ′に電流が流れ込む必要があることからＦＥＴ５０２ｂが閉じなければならない。また、電流検出回路５０５ａ″、５０５ｂ″の応答性に限界があるため、ＦＥＴ５０２ａ、５０２ｂの閉じ時間が一定時間以上でないと正確な電流検出ができない。例えば、図９Ａ、図９Ｂに示すような周期ＴのＰＷＭ信号５１０のオン時にＦＥＴ５０２ａが閉じられる場合、ＰＷＭ信号のデューティ比に対応するＦＥＴ５０２ａの閉じ時間が図９Ａのように一定値（例えば５μｓｅｃ）以上であれば正確な電流検出ができ、図９Ｂに示すように一定値未満であれば正確な電流検出ができなくなる。

そのため、ＰＷＭ信号のデューティ比の範囲を制限する必要があった。例えば図１０に示すように、モータＭの出力最大時において、正弦波駆動されるモータＭにおける電気角度（ｄｅｇ）とＵ相コイルへの印加電圧に対応するＦＥＴ５０２ａの閉じ時間との関係は実線の正弦波α′により表され、電気角度とＶ相コイルへの印加電圧に対応するＦＥＴ５０２ｂの閉じ時間との関係は一点鎖線の正弦波β′により表され、電気角度とＷ相コイルへの印加電圧に対応するＦＥＴ５０２ｃの閉じ時間との関係は二点鎖線の正弦波γ′により表される。この場合、電流検出器５０５ａ、５０５ｂに対応する各ＦＥＴ５０２ａ、５０２ｂの閉じ時間が一定値５μｓｅｃ以上になるように、周期５０μｓｅｃのＰＷＭ信号のデューティ比の範囲は０．１〜１とされている。すなわち、デューティ比が０．１未満の範囲では正確な電流検出ができないため、デューティ比の範囲を０〜１ではなく０．１〜１に制限し、各ＰＷＭ周期におけるＦＥＴ５０２ａ、５０２ｂの閉じ時間を最低でも５μｓｅｃ確保している。そのため、電源電圧の利用率が低下してモータ性能の向上が阻害されていた。本発明は、上記問題を解決することのできるモータ用制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、三相ブラシレスモータへの電力供給ラインに配置されるインバータ回路を構成する複数のスイッチング素子を、そのモータの三相のコイルにおける相電流に応じて生成されるＰＷＭ信号により開閉するモータ用制御装置において、前記三相のコイルにおける相電流、端子電圧、および速度起電力の間の予め設定された関係を記憶する記憶部と、前記三相のコイルにおける端子電圧を求める電圧決定部と、前記三相のコイルにおける速度起電力を求める速度起電力決定部と、前記スイッチング素子の中の一つが閉じることで流れ込む前記三相の中の第１の相のコイルにおける相電流を検出する第１電流検出器と、前記スイッチング素子の中の別の一つが閉じることで流れ込む前記三相の中の第２の相のコイルにおける相電流を検出する第２電流検出器と、前記第１電流検出器に対応する前記スイッチング素子の閉じ時間が電流検出許容域にあるか否かを、予め設定された基準値と比較することで判定する第１判定部と、前記第２電流検出器に対応する前記スイッチング素子の閉じ時間が電流検出許容域にあるか否かを、前記基準値と比較することで判定する第２判定部と、相電流演算部とを備え、前記両判定部それぞれにより前記閉じ時間が電流検出許容域にあると判定される時は、第３の相のコイルにおける相電流が、前記両電流検出器による検出相電流と前記記憶部に記憶された関係を用いて前記相電流演算部により演算され、前記第１判定部により前記閉じ時間が電流検出許容域にあると判定されると共に前記第２判定部により前記閉じ時間が電流検出許容域にないと判定される時は、前記第２の相のコイルにおける相電流と前記第３の相のコイルにおける相電流とが、前記第１電流検出器による検出相電流と前記記憶部に記憶された関係を用いて前記相電流演算部により演算され、前記第１判定部により前記閉じ時間が電流検出許容域にないと判定されると共に前記第２判定部により前記閉じ時間が電流検出許容域にあると判定される時は、前記第１の相のコイルにおける相電流と前記第３の相のコイルにおける相電流とが、前記第２電流検出器による検出相電流と前記記憶部に記憶された関係を用いて前記相電流演算部により演算されることを特徴とする。
本発明によれば、第１の相のコイルに対応するスイッチング素子の閉じ時間が基準値以上であれば、第１電流検出器による相電流の検出値の正確性を担保できる。また、第２の相のコイルに対応するスイッチング素子の閉じ時間が基準値以上であれば、第２電流検出器による相電流の検出値の正確性を担保できる。よって、両判定部により閉じ時間が電流検出許容域にあると判定される時は、第３の相のコイルにおける相電流を、両電流検出器による検出相電流と記憶部に記憶された関係を用いて相電流演算部により演算できる。
また、正弦波駆動される３相ブラシレスモータにおいては、第１電流検出器に対応するスイッチング素子の閉じ時間のモータ電気角度に対する変化を表す正弦波と、第２電流検出器に対応するスイッチング素子の閉じ時間のモータ電気角度に対する変化を表す正弦波との間には位相差があることから、第１の相のコイルに対応するスイッチング素子の閉じ時間と第２の相のコイルに対応するスイッチング素子の閉じ時間とが、同時に基準値未満になるのは阻止できる。すなわち、第１判定部と第２判定部とが、閉じ時間は電流検出許容域にないと同時に判定することがないようにできる。よって、第１判定部により閉じ時間が電流検出許容域にあると判定されると共に第２判定部により閉じ時間が電流検出許容域にないと判定される時は、第２の相のコイルにおける相電流と第３の相のコイルにおける相電流を、第１電流検出器による検出相電流と記憶部に記憶された関係を用いて相電流演算部により演算できる。また、第１判定部により閉じ時間が電流検出許容域にないと判定されると共に第２判定部により閉じ時間が電流検出許容域にあると判定される時は、第１の相のコイルにおける相電流と第３の相のコイルにおける相電流を、第２電流検出器による検出相電流と記憶部に記憶された関係を用いて相電流演算部により演算できる。
これにより、第１電流検出器に対応するスイッチング素子の閉じ時間または第２電流検出器に対応するスイッチング素子の閉じ時間が電流検出許容域にない時でも、３相のコイルにおける相電流を正確に求めることができる。よって、ＰＷＭ信号のデューティ比の範囲を制限する必要がなく、電源電圧の利用率を向上できる。

前記記憶部において以下の式（１）〜（３）で表される関係が記憶され、
Ｖｕ＝（Ｒ＋ＰＬ）・Ｉｕ−ＰＭ・（Ｉｖ＋Ｉｗ）／２＋Ｅｕ…（１）
Ｖｖ＝（Ｒ＋ＰＬ）・Ｉｖ−ＰＭ・（Ｉｗ＋Ｉｕ）／２＋Ｅｖ…（２）
Ｖｗ＝（Ｒ＋ＰＬ）・Ｉｗ−ＰＭ・（Ｉｕ＋Ｉｖ）／２＋Ｅｗ…（３）
ここで、Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗはそれぞれ三相の前記コイルにおける相電流、Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗはそれぞれ三相の前記コイルにおける端子電圧、Ｅｕ、Ｅｖ、Ｅｗはそれぞれ三相の前記コイルにおける速度起電力、Ｒは三相の前記コイルの捲線抵抗、Ｌは三相の前記コイルの自己インダクタンス、Ｍは三相の前記コイル間の相互インダクタンス、Ｐは時間微分演算子であるのが好ましい。
捲線抵抗Ｒ、自己インダクタンスＬ、相互インダクタンスＭは予め定めることができる。よって、第１電流検出器と第２電流検出器により２相のコイルの相電流を検出する場合は、残りの相のコイルの相電流を、検出した相電流と記憶した式の中の何れか一つとから演算により求めることができる。また、第１電流検出器または第２電流検出器により１相のコイルの相電流を検出する場合、残りの２相の相電流を検出した相電流と記憶した式とから演算により求めることができる。
なお、式（１）〜（３）の関係は、以下の式（５）で示す三相ブラシレスモータについての公知の回路方程式を展開することで求められる。

前記記憶部において上記の式（１）〜（３）の中の２つの式と以下の式（４）で表される関係が記憶されてもよい。
Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝０…（４）
式（４）は三相ブラシレスモータにおいて成立する。
これにより、第１電流検出器と第２電流検出器により２相のコイルの相電流を検出する場合は、残りの相のコイルの相電流を、検出した相電流と記憶した式の中の何れか一つとから演算により求めることができる。また、第１電流検出器または第２電流検出器により１相のコイルの相電流を検出する場合、残りの２相の相電流を検出した相電流と記憶した式とから演算により求めることができる。

本発明のモータ用制御装置によれば、電流検出のためにＰＷＭ信号のデューティ比の範囲を制限する必要がないので、電源電圧の利用率を向上してモータ性能を向上できる。

図１に示す第１実施形態の車両用ラックピニオン式電動パワーステアリング装置１０１は、操舵により回転するステアリングシャフト１０３と、ステアリングシャフト１０３に設けられるピニオン１０３ａと、ピニオン１０３ａに噛み合うラック１０４と、操舵補助力発生用の三相ブラシレスモータ１と、モータ１の出力をラック１０４に伝達するネジ機構１１０とを備える。ラック１０４の両端は操舵用車輪（図示省略）に連結される。操舵によるピニオン１０３ａの回転によりラック１０４が車両幅方向に沿い移動し、このラック１０４の移動により舵角が変化する。

モータ１は、ラック１０４を覆うハウジング１０８に固定されるステータ１ａと、ハウジング１０８によりベアリング１０８ａ、１０８ｂを介して回転可能に支持される筒状ロータ１ｂと、ロータ１ｂに取り付けられるマグネット１ｃとを有する。ステータ１ａは、モータ１の電機子捲線を構成する三相のコイルを含む。本実施形態においては、三相のコイルとしてＵ相（第１の相）のコイル、Ｖ相（第２の相）のコイル、およびＷ相（第３の相）のコイルを有する。ロータ１ｂはラック１０４を囲む。ロータ１ｂの回転位置を検出する回転位置検出部がレゾルバ２により構成されている。

ネジ機構１１０は、ラック１０４の外周に一体的に形成されたボールスクリューシャフト１１０ａと、ボールスクリューシャフト１１０ａにボールを介してねじ合わされるボールナット１１０ｂとを有する。ボールナット１１０ｂはロータ１ｂに連結されている。これにより、モータ１がボールナット１１０ｂを回転させることによりラック１０４の長手方向に沿う操舵補助力が付与される。モータ１はモータ用制御装置１０に接続される。

図２は制御装置１０の機能ブロック図を示す。制御装置１０は、電流検出部１１、信号処理部１２およびインバータ回路１３′により構成される駆動部１３を有する。制御装置１０に、レゾルバ２、ステアリングシャフト１０３により伝達される操舵トルクを検出するトルクセンサ７、車速を検出する車速センサ８が接続される。

電流検出部１１は、Ｕ相コイルにおける相電流を検出する第１電流検出器１１ｕ、Ｖ相コイルにおける相電流を検出する第２電流検出器１１ｖ、第１ＡＤ変換器１１ｕ′、および第２ＡＤ変換器１１ｖ′を有する。

信号処理部１２は、例えばマイクロコンピュータにより構成され、基本目標電流演算部１５、三相目標電流演算部１６、ＰＩ（比例積分）演算部１７ｕ、１７ｖ、１７ｗ、ＰＷＭ制御部１８ｕ、１８ｖ、１８ｗ、偏差演算部１９ｕ、１９ｖ、１９ｗ、第１判定部２１ｕ、第２判定部２１ｖ、および相電流演算部２２を有する。本実施形態では、基本目標電流演算部１５と三相目標電流演算部１６は電流目標値演算部を構成し、相電流演算部２２は記憶部を兼用する。

駆動部１３は、モータ１への電力供給ラインに配置される複数のスイッチング素子によりインバータ回路１３′を構成する。本実施形態のインバータ回路１３′においては、一対のＵ相用ＦＥＴ１３ｕ１、ＦＥＴ１３ｕ２、一対のＶ相用ＦＥＴ１３ｖ１、ＦＥＴ１３ｖ２、および一対のＷ相用ＦＥＴ１３ｗ１、ＦＥＴ１３ｗ２が複数のスイッチング素子として３相ブリッジを構成する。各相において、ＦＥＴソースとＦＥＴドレインとの間がモータ１のコイルに接続されている。

各電流検出器１１ｕ、１１ｖは公知のものを用いることができる。本実施形態における第１電流検出器１１ｕは、インバータ回路１３′におけるＵ相用下アームＦＥＴ１３ｕ２と接地端との間に直列に配置される検出用抵抗Ｒｕを有し、この検出用抵抗Ｒｕでの電圧降下に応じた電流検出信号を電流検出回路１１ｕ″において生成することで、Ｕ相用下アームＦＥＴ１３ｕ２が閉じることで流れ込むＵ相コイルにおける相電流を検出する。第２電流検出器１１ｖは、インバータ回路１３′におけるＶ相用下アームＦＥＴ１３ｖ２と接地端との間に直列に配置される検出用抵抗Ｒｖを有し、この検出用抵抗Ｒｖでの電圧降下に応じた電流検出信号を電流検出回路１１ｖ″において生成することで、Ｖ相用下アームＦＥＴ１３ｖ２が閉じることで流れ込むＶ相コイルにおける相電流を検出する。各電流検出器１１ｕ、１１ｖによる電流検出信号はＡＤ変換器１１ｕ′、１１ｖ′によりＡＤ変換された後に信号処理部１２に入力される。
なお、第１電流検出器１１ｕの検出用抵抗Ｒｕは、両Ｕ相用ＦＥＴ１３ｕ１、ＦＥＴ１３ｕ２の何れかが閉じることで電流が流れ込む位置であれば配置は限定されず、例えば、Ｕ相用上アームＦＥＴ１３ｕ１と電源バッテリーＥとの間、あるいは両Ｕ相用ＦＥＴ１３ｕ１、ＦＥＴ１３ｕ２の間に直列に配置できる。また、第２電流検出器１１ｖの検出用抵抗Ｒｖは、両Ｖ相用ＦＥＴ１３ｖ１、ＦＥＴ１３ｖ２の何れかが閉じることで電流が流れ込む位置であれば配置は限定されず、例えば、Ｖ相用上アームＦＥＴ１３ｖ１と電源バッテリーＥとの間、あるいは両ｖ相用ＦＥＴ１３ｖ１、ＦＥＴ１３ｖ２の間に直列に配置できる。

基本目標電流演算部１５は、トルクセンサ７により検知される操舵トルクと、車速センサ８により検出される車速に基づいて、モータ１の基本目標電流Ｉ^*を演算する。基本目標電流Ｉ^*の演算は公知の方法で行うことができ、例えば、操舵トルクの大きさが大きく、車速が小さい程に基本目標電流Ｉ^*は大きくされる。

三相目標電流演算部１６は、基本目標電流Ｉ^*とレゾルバ２により検出されたロータ１ｂの回転位置とに基づき、三相のコイルにおける目標相電流Ｉｕ^*、Ｉｖ^*、Ｉｗ^*を演算する。三相目標電流演算部１６における演算は公知の方法で行うことができる。

偏差演算部１９ｕ、１９ｖ、１９ｗは、Ｕ相コイルにおける目標相電流Ｉｕ^*と相電流演算部２２から出力される相電流Ｉｕとの偏差δＩｕ、Ｖ相コイルにおける目標相電流Ｉｖ^*と相電流演算部２２から出力される相電流Ｉｖとの偏差δＩｖ、およびＷ相コイルにおける目標相電流Ｉｗ^*と相電流演算部２２から出力される相電流Ｉｗとの偏差δＩｗを、それぞれ演算する。

ＰＩ演算部１７ｕ、１７ｖ、１７ｗは、偏差演算部１９ｕ、１９ｖ、１９ｗにおいて演算された偏差δＩｕ、δＩｖ、δＩｗのＰＩ演算を行うことで、Ｕ相コイルへの目標印加電圧Ｖｕ^*、Ｖ相コイルへの目標印加電圧Ｖｖ^*、及びＷ相コイルへの目標印加電圧Ｖｗ^*をそれぞれ演算する。目標印加電圧Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*は三相のコイルにおける端子電圧に相当することから、本実施形態においてはＰＩ演算部１７ｕ、１７ｖ、１７ｗが三相のコイルにおける端子電圧を求める電圧決定部として機能する。なお、電圧決定部として各端子電圧を直接に検出する電圧センサを設けてもよい。

ＰＷＭ制御部１８ｕ、１８ｖ、１８ｗは、ＰＩ演算部１７ｕ、１７ｖ、１７ｗにおいて演算された目標印加電圧Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*に対応するデューティ比を有するＰＷＭ信号をそれぞれ形成する。バッテリーＥから各相のコイルに印加される電圧が目標印加電圧Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*になるように、インバータ回路１３′におけるＦＥＴ１３ｕ１、１３ｕ２、１３ｖ１、１３ｖ２、１３ｗ１、１３ｗ２のゲートに入力されるＰＷＭ信号のデューティ比が設定される。各ＦＥＴ１３ｕ１、１３ｕ２、１３ｖ１、１３ｖ２、１３ｗ１、１３ｗ２は、相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗに応じて生成されるＰＷＭ信号により開閉され、それぞれの閉じ時間はＰＷＭ信号のデューティ比に対応する。これによりモータ１が正弦波駆動される。
すなわち、上アームＦＥＴ１３ｕ１、１３ｖ１、１３ｗ１のゲートに入力されるＰＷＭ信号と下アームＦＥＴ１３ｕ２、１３ｖ２、１３ｗ２のゲートに入力されるＰＷＭ信号の中の一方がハイパルスである時は他方がローパルスとされ、また、一方の立ち下がり時と他方の立ち上がり時との間にデッドタイムが設定される。ＰＷＭ信号のデューティ比の範囲はモータ１の出力最大時で０〜１とされる。ＰＷＭ信号のデューティ比はロータ１ｂの回転位置に応じて正弦波状に変化し、例えばモータ１の出力最大時においては、図３に示すように、モータ１における電気角度（ｄｅｇ）とＵ相コイルへの印加電圧に対応するＦＥＴ１３ｕ２の閉じ時間との関係は実線の正弦波αにより表され、電気角度とＶ相コイルへの印加電圧に対応するＦＥＴ１３ｖ２の閉じ時間との関係は一点鎖線の正弦波βにより表され、電気角度とＷ相コイルへの印加電圧に対応するＦＥＴ１３ｗ２の閉じ時間との関係は二点鎖線の正弦波γにより表される。各正弦波α、β、γは互いに１２０度の位相差がある。本実施形態においては、ＰＷＭ信号のデューティ比の範囲が０〜１である時、ＦＥＴ１３ｕ２、ＦＥＴ１３ｖ２、ＦＥＴ１３ｗ２それぞれの閉じ時間は、最大値５０μｓｅｃ、最小値０μｓｅｃとされる。

第１判定部２１ｕは、第１電流検出器１１ｕに対応するＵ相用下アームＦＥＴ１３ｕ２の閉じ時間が電流検出許容域にあるか否かを、予め設定された基準値と比較することで判定する。本実施形態においては、その閉じ時間はＵ相コイルに対応するＰＷＭ信号のデューティ比に対応することから、そのデューティ比に対応する目標印加電圧Ｖｕ^*に基づき閉じ時間を演算する。すなわち、ＦＥＴ１３ｕ２の閉じ時間が零になると検出用抵抗Ｒｕに電流が流れ込まなくなり、また、零近傍である場合も確実な電流検出ができない。よって、その閉じ時間が基準値以上である場合は電流検出許容域にあり、基準値未満であれば電流検出許容域にないと判定する。その基準値の具体的な値は、正確な検出電流値を確保できる下限値以上の値とされ、予め実験により定めておけばよい。本実施形態においては、ＦＥＴ１３ｕ２の閉じ時間の基準値は５μｓｅｃとされる。第１判定部２１ｕは、判定結果に対応する信号を相電流演算部２２に送る。

第２判定部２１ｖは、第２電流検出器１１ｖに対応するＶ相用下アームＦＥＴ１３ｖ２の閉じ時間が電流検出許容域にあるか否かを、予め設定された基準値と比較することで判定する。本実施形態においては、その閉じ時間はＶ相コイルに対応するＰＷＭ信号のデューティ比に対応することから、そのデューティ比に対応する目標印加電圧Ｖｖ^*に基づき閉じ時間を演算する。すなわち、ＦＥＴ１３ｖ２の閉じ時間が零になると検出用抵抗Ｒｖに電流が流れ込まなくなり、また、零近傍である場合も確実な電流検出ができない。よって、その閉じ時間が基準値以上である場合は電流検出許容域にあり、基準値未満であれば電流検出許容域にないと判定する。その基準値の具体的な値は、正確な検出電流値を確保できる下限値以上の値とされ、予め実験により定めておけばよい。本実施形態においては、ＦＥＴ１３ｖ２の閉じ時間の基準値は５μｓｅｃとされる。第２判定部２１ｖは、判定結果に対応する信号を相電流演算部２２に送る。

相電流演算部２２は、三相のコイルにおける相電流、端子電圧、および速度起電力の間の予め定めた関係として、上記の式（１）〜（３）で表される関係を記憶する。

相電流演算部２２は、レゾルバ２から時系列に入力されるロータ１ｂの回転位置の変化からロータ１ｂの回転速度ωを求め、求めた回転速度ωに単位速度起電力Ｋｅを乗じることで三相のコイルにおける速度起電力Ｅｕ、Ｅｖ、ＥｗとしてＫｅ・ωを求める。これにより本実施形態においては、相電流演算部２２が三相のコイルにおける速度起電力を求める速度起電力決定部として機能する。本実施形態の単位速度起電力Ｋｅは一定値とされ、予め定められて相電流演算部２２に記憶される。

第１判定部２１ｕによりＵ相用下アームＦＥＴ１３ｕ２の閉じ時間が電流検出許容域にあると判定され、且つ、第２判定部２１ｖによりＶ相用下アームＦＥＴ１３ｖ２の閉じ時間が電流検出許容域にあると判定される時、相電流演算部２２はＷ相のコイルにおける相電流Ｉｗを、両電流検出器１１ｕ、１１ｖによる検出相電流Ｉｕ、Ｉｖと記憶された式（１）〜（３）の中の何れか一つにより表される関係を用いて演算する。そして相電流演算部２２は、検出した相電流Ｉｕを偏差演算部１９ｕに出力し、検出した相電流Ｉｖを偏差演算部１９ｖに出力し、演算により求めた相電流Ｉｗを偏差演算部１９ｗに出力する。

第１判定部２１ｕによりＵ相用下アームＦＥＴ１３ｕ２の閉じ時間が電流検出許容域にあると判定されると共に第２判定部２１ｖによりＶ相用下アームＦＥＴ１３ｖ２の閉じ時間が電流検出許容域にないと判定される時、相電流演算部２２はＶ相のコイルにおける相電流ＩｖとＷ相のコイルにおける相電流Ｉｗを、第１電流検出器１１ｕによる検出相電流Ｉｕと記憶された式（１）〜（３）で表される関係を用いて演算する。そして相電流演算部２２は、検出した相電流Ｉｕを偏差演算部１９ｕに出力し、演算により求めた相電流Ｉｖを偏差演算部１９ｖに出力し、演算により求めた相電流Ｉｗを偏差演算部１９ｗに出力する。

第１判定部２１ｕによりＵ相用下アームＦＥＴ１３ｕ２の閉じ時間が電流検出許容域にないと判定されると共に第２判定部２１ｖによりＶ相用下アームＦＥＴ１３ｖ２の閉じ時間が電流検出許容域にあると判定される時、相電流演算部２２はＵ相のコイルにおける相電流ＩｕとＷ相のコイルにおける相電流Ｉｗを、第２電流検出器１１ｖによる検出相電流Ｉｖと記憶された式（１）〜（３）で表される関係を用いて演算する。そして相電流演算部２２は、演算により求めた相電流Ｉｕを偏差演算部１９ｕに出力し、検出した相電流Ｉｖを偏差演算部１９ｖに出力し、演算により求めた相電流Ｉｗを偏差演算部１９ｗに出力する。

これにより、三相のコイルにおける相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗに応じて生成されるＰＷＭ信号によりＦＥＴ１３ｕ１、１３ｕ２、１３ｖ１、１３ｖ２、１３ｗ１、１３ｗ２が開閉され、目標相電流Ｉｕ^*、Ｉｖ^*、Ｉｗ^*と相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗとの偏差を低減するようにモータ１の出力がフィードバック制御される。

図４、図５に示すフローチャートは制御装置１０による制御手順を示す。
車両のイグニッションスイッチのオン等により制御が開始されると、初期設定が行われ（ステップＳ１）、各センサによる検出値が読み込まれ（ステップＳ２）、操舵トルクと車速に応じて基本目標電流Ｉ^*が演算される（ステップＳ３）。その演算された目標電流Ｉ^*とロータ１ｂの回転位置とに基づき目標相電流Ｉｕ^*、Ｉｖ^*、Ｉｗ^*が演算され（ステップＳ４）、三相のコイルにおける速度起電力Ｅｕ、Ｅｖ、Ｅｗが演算される（ステップＳ５）。
次に、三相のコイルにおける目標相電流Ｉｕ^*、Ｉｖ^*、Ｉｗ^*と相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗとの偏差δＩｕ、δＩｖ、δＩｗが演算される（ステップＳ６）。すなわち図５に示すように、第１電流検出器１１ｕに対応するＵ相用下アームＦＥＴ１３ｕ２の閉じ時間Ｔｕが、予め設定された基準値である５μｓｅｃ以上か否かにより、電流検出許容域にあるか否かを判定する（ステップＳ１０１）。ステップＳ１０１において閉じ時間Ｔｕが５μｓｅｃ以上であって電流検出許容域にあると判定される場合、Ｕ相コイルにおける目標相電流Ｉｕ^*と第１電流検出器１１ｕにより検出された相電流Ｉｕとの偏差δＩｕが演算される（ステップＳ１０２）。ステップＳ１０１において閉じ時間Ｔｕが５μｓｅｃ未満であって電流検出許容域にないと判定される場合、相電流演算部２２によりＵ相のコイルにおける相電流Ｉｕが演算され（ステップＳ１０３）、しかる後にステップＳ１０２においてＵ相コイルにおける目標相電流Ｉｕ^*と相電流演算部２２により演算された相電流Ｉｕとの偏差δＩｕが演算される。また、第２電流検出器１１ｖに対応するＶ相用下アームＦＥＴ１３ｖ２の閉じ時間Ｔｖが、予め設定された基準値である５μｓｅｃ以上か否かにより、電流検出許容域にあるか否かを判定する（ステップＳ１０４）。ステップＳ１０４において閉じ時間Ｔｖが５μｓｅｃ以上であって電流検出許容域にあると判定される場合、Ｖ相コイルにおける目標相電流Ｉｖ^*と第２電流検出器１１ｖにより検出された相電流Ｉｖとの偏差δＩｖが演算される（ステップＳ１０５）。ステップＳ１０４において閉じ時間Ｔｖが５μｓｅｃ未満であって電流検出許容域にないと判定される場合、相電流演算部２２によりＶ相のコイルにおける相電流Ｉｖが演算され（ステップＳ１０６）、しかる後にステップＳ１０５においてＶ相コイルにおける目標相電流Ｉｖ^*と相電流演算部２２により演算された相電流Ｉｖとの偏差δＩｖが演算される。さらに、相電流演算部２２によりＷ相のコイルにおける相電流Ｉｗが演算され（ステップＳ１０７）、しかる後にＷ相コイルにおける目標相電流Ｉｗ^*と相電流演算部２２により演算された相電流Ｉｗとの偏差δＩｗが演算される（ステップＳ１０８）。なお、制御開始当初において演算に必要な端子電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗとしては初期設定値を用いればよい。
次に、演算された偏差δＩｕ、δＩｖ、δＩｗに応じた目標印加電圧Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*が演算される（ステップＳ７）。バッテリーＥから各相のコイルに印加される電圧が目標印加電圧Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*になるように、各ＦＥＴ１３ｕ１〜１３ｗ２がＰＷＭ信号により開閉されることでモータ１が駆動される（ステップＳ８）。次に、例えばイグニッションスイッチの開閉状態により制御が終了されるか否かが判断され（ステップＳ９）、終了しない場合はステップＳ２に戻る。

上記実施形態によれば、Ｕ相用下アームＦＥＴ１３ｕ２の閉じ時間が基準値以上であれば第１電流検出器１１ｕによる相電流Ｉｕの検出値の正確性を担保でき、また、Ｖ相用下アームＦＥＴ１３ｖ２の閉じ時間が基準値以上であれば第２電流検出器１１ｖによる相電流Ｉｖの検出値の正確性を担保できる。よって、両判定部２１ｕ、２１ｖにより閉じ時間が電流検出許容域にあると判定される時は、Ｗ相電流Ｉｗを両電流検出器１１ｕ、１１ｖによる検出相電流Ｉｕ、Ｉｖと記憶された式（１）〜（３）の中の何れか一つを用いて相電流演算部２２により演算できる。
また、正弦波駆動される３相ブラシレスモータ１においては、図３に示すように、Ｕ相用下アームＦＥＴ１３ｕ２の閉じ時間のモータ電気角度に対する変化を表す正弦波αと、Ｖ相用下アームＦＥＴ１３ｖ２の閉じ時間のモータ電気角度に対する変化を表す正弦波βとの間には位相差があることから、Ｕ相用下アームＦＥＴ１３ｕ２の閉じ時間とＶ相用下アームＦＥＴ１３ｖ２の閉じ時間とが、同時に基準値（５μｓｅｃ）未満になるのは阻止できる。すなわち、第１判定部２１ｕと第２判定部２１ｖとが、閉じ時間は電流検出許容域にないと同時に判定することがないようにできる。よって、第１判定部２１ｕにより閉じ時間が電流検出許容域にあると判定されると共に第２判定部２１ｖにより閉じ時間が電流検出許容域にないと判定される時（例えば図３においてモータ電気角度がθａ〜θｂである時）は、Ｖ相相電流ＩｖとＷ相相電流Ｉｗを第１電流検出器１１ｕによる検出相電流Ｉｕと記憶された式（１）〜（３）を用いて相電流演算部２２により演算できる。また、第１判定部２１ｕにより閉じ時間が電流検出許容域にないと判定されると共に第２判定部２１ｖにより閉じ時間が電流検出許容域にあると判定される時（例えば図３においてモータ電気角度がθｃ〜θｄである時）は、Ｕ相相電流ＩｕとＷ相相電流Ｉｗを第２電流検出器１１ｖによる検出相電流Ｉｕと記憶された式（１）〜（３）を用いて相電流演算部２２により演算できる。
これにより、Ｕ相用下アームＦＥＴ１３ｕ２の閉じ時間またはＶ相用下アームＦＥＴ１３ｖ２の閉じ時間が電流検出許容域にない時でも、３相のコイルにおける相電流を正確に求めることができる。よって、ＰＷＭ信号のデューティ比の範囲を制限する必要がなく、電源電圧の利用率を向上できる。例えば図６に示すように、モータ１の回転速度と出力との関係は、ＰＷＭ信号のデューティ比の範囲を従来のように０．１〜１とした場合は破線で表され、その範囲を上記実施形態のように０〜１とした場合は実線で表される。

図７は本発明の第２実施形態を示す。第２実施形態においては、ロータ１ｂの有する界磁（マグネット１ｃ）の磁束方向に沿う軸をｄ軸、ｄ軸とロータ１ｂの回転軸とに直交する軸をｑ軸として、ｄｑ座標において目標電流Ｉ^*から目標印加電圧Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*を求める演算を行う。第２実施形態においては、第１実施形態における三相目標電流演算部１６、ＰＩ演算部１７ｕ、１７ｖ、１７ｗ、偏差演算部１９ｕ、１９ｖ、１９ｗに代えて、ｄｑ軸目標電流演算部５０、相電流座標変換部５１、ｄ軸偏差演算部５２ｄ、ｑ軸偏差演算部５２ｑ、ｄ軸ＰＩ演算部５３ｄ、ｑ軸ＰＩ演算部５３ｑ、および目標電圧座標変換部５４を有する。

基本目標電流演算部１５により演算された目標電流Ｉ^*はｄｑ軸目標電流演算部５０に入力される。ｄｑ軸目標電流演算部５０は、ｄ軸方向の磁界を生成するｄ軸目標電流Ｉｄ^*と、ｑ軸方向の磁界を生成するｑ軸目標電流Ｉｑ^*を演算する。ｄｑ軸目標電流演算部５０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。

相電流演算部２２から出力される相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは相電流座標変換部５１に入力される。相電流座標変換部５１は、ｄ軸方向の磁界を生成するｄ軸電流Ｉｄとｑ軸方向の磁界を生成するｑ軸電流Ｉｑを、相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗとレゾルバ２により検出されたロータ１ｂの回転位置から演算する。相電流座標変換部５１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。

偏差演算部５２ｄは、ｄ軸目標電流Ｉｄ^*とｄ軸電流Ｉｄの偏差δＩｄを求め、その偏差δＩｄのＰＩ演算がｄ軸ＰＩ演算部５３ｄにおいて行われることでｄ軸目標電圧Ｖｄ^*が求められる。ｑ軸偏差演算部５２ｑは、ｑ軸目標電流Ｉｑ^*とｑ軸電流Ｉｑの偏差δＩｑを求め、その偏差δＩｑのＰＩ演算がｑ軸ＰＩ演算部５３ｑにおいて行われることでｑ軸目標電圧Ｖｑ^*が求められる。

目標電圧座標変換部５４は、ｄ軸目標電圧Ｖｄ^*、ｑ軸目標電圧Ｖｑ^*、およびレゾルバ２により検出されたロータ１ｂの回転位置から、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルへの目標印加電圧Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*を演算する。目標電圧座標変換部５４における演算は公知の演算式を用いて行えばよい。これにより第２実施形態においては、第１実施形態における各目標相電流Ｉｕ^*、Ｉｖ^*、Ｉｗ^*に代えてｄ軸とｑ軸における目標電流Ｉｄ^*、Ｉｑ^*が演算され、ｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑが演算され、第１実施形態における各偏差δＩｕ、δＩｖ、δＩｗに代えて演算されたｄ軸偏差δＩｄとｑ軸偏差δＩｑに応じて、目標印加電圧Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*が演算される。他は第１実施形態と同様とされる。

本発明は上記実施形態に限定されない。
例えば、上記実施形態においては相電流演算部２２において上記の式（１）〜（３）で表される関係を記憶したが、これに代えて、上記の式（１）〜（３）の中の２つの式と上記の式（４）で表される関係を記憶してもよい。これにより、Ｕ相用下アームＦＥＴ１３ｕ２の閉じ時間とＶ相用下アームＦＥＴ１３ｖ２の閉じ時間が電流検出許容域にあると判定される時は、相電流Ｉｗを、両電流検出器１１ｕ、１１ｖによる検出相電流Ｉｕ、Ｉｖと式（１）〜（３）の中の記憶された一つ又は記憶された式（４）とから演算により求めることができる。Ｕ相用下アームＦＥＴ１３ｕ２の閉じ時間が電流検出許容域にあると判定されると共にＶ相用下アームＦＥＴ１３ｖ２の閉じ時間が電流検出許容域にないと判定される時は、相電流Ｉｖと相電流Ｉｗを、第１電流検出器１１ｕによる検出相電流Ｉｕと式（１）〜（３）の中の記憶された二つ及び記憶された式（４）とから演算により求めることができる。Ｕ相用下アームＦＥＴ１３ｕ２の閉じ時間が電流検出許容域にないと判定されると共にＶ相用下アームＦＥＴ１３ｖ２の閉じ時間が電流検出許容域にあると判定される時は、相電流Ｉｕと相電流Ｉｗを、第２電流検出器１１ｖによる検出相電流Ｉｖと式（１）〜（３）の中の記憶された二つ及び記憶された式（４）とから演算により求めることができる。
また、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれは、上記実施形態においては第１の相、第２の相、第３の相に対応するが、第１の相、第２の相、第３の相の中の何れに対応してもよい。Ｗ相が第１の相または第２の相に対応する場合、Ｗ相コイルにおける相電流が第１電流検出器または第２電流検出器により検出される。
さらに、本発明の制御装置により制御されるモータの用途は特に限定されない。

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部分破断正面図本発明の第１実施形態に係るモータ用制御装置の構成説明図本発明の実施形態に係るモータにおける電気角度とスイッチング素子の閉じ時間との関係を示す図本発明の実施形態に係るモータ用制御装置による制御手順を示すフローチャート本発明の実施形態に係るモータ用制御装置による制御手順を示すフローチャート本発明の実施形態に係るモータと従来のモータにおける回転速度と出力との関係を示す図本発明の第２実施形態に係るモータ用制御装置の構成説明図モータにおけるインバータ回路の構成説明図スイッチング素子の閉じ時間が電流検出許容域にある場合のＰＷＭ信号の一例を示す図スイッチング素子の閉じ時間が電流検出許容域にない場合のＰＷＭ信号の一例を示す図従来例のモータにおける電気角度とスイッチング素子の閉じ時間との関係を示す図

符号の説明

１…ブラシレスモータ、１０…制御装置、１１ｕ…第１電流検出器、１１ｖ…第２電流検出器、１１ｗ…第３電流検出器、１３′…インバータ回路、１３ｕ１、１３ｕ２、１３ｖ１、１３ｖ２、１３ｗ１、１３ｗ２…ＦＥＴ（スイッチング素子）、１７ｕ、１７ｖ、１７ｗ…ＰＩ演算部（電圧決定部）、２１ｕ…第１判定部、２１ｖ…第２判定部、２２…相電流演算部（記憶部、速度起電力決定部）

Claims

三相ブラシレスモータへの電力供給ラインに配置されるインバータ回路を構成する複数のスイッチング素子を、そのモータの三相のコイルにおける相電流に応じて生成されるＰＷＭ信号により開閉するモータ用制御装置において、
前記三相のコイルにおける相電流、端子電圧、および速度起電力の間の予め設定された関係を記憶する記憶部と、
前記三相のコイルにおける端子電圧を求める電圧決定部と、
前記三相のコイルにおける速度起電力を求める速度起電力決定部と、
前記スイッチング素子の中の一つが閉じることで流れ込む前記三相の中の第１の相のコイルにおける相電流を検出する第１電流検出器と、
前記スイッチング素子の中の別の一つが閉じることで流れ込む前記三相の中の第２の相のコイルにおける相電流を検出する第２電流検出器と、
前記第１電流検出器に対応する前記スイッチング素子の閉じ時間が電流検出許容域にあるか否かを、予め設定された基準値と比較することで判定する第１判定部と、
前記第２電流検出器に対応する前記スイッチング素子の閉じ時間が電流検出許容域にあるか否かを、前記基準値と比較することで判定する第２判定部と、
相電流演算部とを備え、
前記両判定部それぞれにより前記閉じ時間が電流検出許容域にあると判定される時は、第３の相のコイルにおける相電流が、前記両電流検出器による検出相電流と前記記憶部に記憶された関係を用いて前記相電流演算部により演算され、
前記第１判定部により前記閉じ時間が電流検出許容域にあると判定されると共に前記第２判定部により前記閉じ時間が電流検出許容域にないと判定される時は、前記第２の相のコイルにおける相電流と前記第３の相のコイルにおける相電流とが、前記第１電流検出器による検出相電流と前記記憶部に記憶された関係を用いて前記相電流演算部により演算され、
前記第１判定部により前記閉じ時間が電流検出許容域にないと判定されると共に前記第２判定部により前記閉じ時間が電流検出許容域にあると判定される時は、前記第１の相のコイルにおける相電流と前記第３の相のコイルにおける相電流とが、前記第２電流検出器による検出相電流と前記記憶部に記憶された関係を用いて前記相電流演算部により演算されることを特徴とするモータ用制御装置。
前記記憶部において以下の式（１）〜（３）で表される関係が記憶され、
Ｖｕ＝（Ｒ＋ＰＬ）・Ｉｕ−ＰＭ・（Ｉｖ＋Ｉｗ）／２＋Ｅｕ…（１）
Ｖｖ＝（Ｒ＋ＰＬ）・Ｉｖ−ＰＭ・（Ｉｗ＋Ｉｕ）／２＋Ｅｖ…（２）
Ｖｗ＝（Ｒ＋ＰＬ）・Ｉｗ−ＰＭ・（Ｉｕ＋Ｉｖ）／２＋Ｅｗ…（３）
ここで、Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗはそれぞれ三相の前記コイルにおける相電流、Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗはそれぞれ三相の前記コイルにおける端子電圧、Ｅｕ、Ｅｖ、Ｅｗはそれぞれ三相の前記コイルにおける速度起電力、Ｒは三相の前記コイルの捲線抵抗、Ｌは三相の前記コイルの自己インダクタンス、Ｍは三相の前記コイル間の相互インダクタンス、Ｐは時間微分演算子である請求項１に記載のモータ用制御装置。
前記記憶部において以下の式（１）〜（３）の中の２つの式と以下の式（４）で表される関係が記憶され、
Ｖｕ＝（Ｒ＋ＰＬ）・Ｉｕ−ＰＭ・（Ｉｖ＋Ｉｗ）／２＋Ｅｕ…（１）
Ｖｖ＝（Ｒ＋ＰＬ）・Ｉｖ−ＰＭ・（Ｉｗ＋Ｉｕ）／２＋Ｅｖ…（２）
Ｖｗ＝（Ｒ＋ＰＬ）・Ｉｗ−ＰＭ・（Ｉｕ＋Ｉｖ）／２＋Ｅｗ…（３）
Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝０…（４）
ここで、Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗはそれぞれ三相の前記コイルにおける相電流、Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗはそれぞれ三相の前記コイルにおける端子電圧、Ｅｕ、Ｅｖ、Ｅｗはそれぞれ三相の前記コイルにおける速度起電力、Ｒは三相の前記コイルの捲線抵抗、Ｌは三相の前記コイルの自己インダクタンス、Ｍは三相の前記コイル間の相互インダクタンス、Ｐは時間微分演算子である請求項１に記載のモータ用制御装置。