JP5170505B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、ブラシレスモータをセンサレス駆動するためのモータ制御装置に関する。ブラシレスモータは、たとえば、電動パワーステアリング装置における操舵補助力の発生源として利用される。

ブラシレスＤＣモータを駆動制御するためのモータ制御装置は、一般に、ロータの回転位置を検出するための位置センサの出力に応じてモータ電流の供給を制御するように構成されている。しかし、位置センサの耐環境性が問題となるうえ、高価な位置センサおよびこれに関連する配線がコストの削減を阻害し、かつ、小型化を阻害している。そこで、位置センサを用いることなくブラシレスＤＣモータを駆動するセンサレス駆動方式が提案されている。センサレス駆動方式は、ロータの回転に伴う誘起電圧を推定することによって、磁極の位相（ロータの電気角）を推定する方式である。

一般的な位置センサレス制御アルゴリズムでは、モータが定速回転している状態を前提として、設計パラメータが固定的に定められている。設計パラメータの具体例は、モータに流れるモータ電流の高周波成分を遮断する電流フィルタの遮断周波数や、モータに印加されるモータ電圧の高周波成分を遮断する電圧フィルタの遮断周波数である。誘起電圧の推定は、電流フィルタおよび電圧フィルタをそれぞれ通したモータ電流およびモータ電圧ならびに逆モータモデル基づいて、モータの誘起電圧を外乱として推定する外乱オブザーバによって行われる。この外乱オブザーバによって求められる推定誘起電圧を用いることにより、ロータの回転位置が求まる。また、所定周期毎のロータ回転位置の変化を求めることによって、ロータ回転速度を推定できる。

このような一般的な位置センサレス制御アルゴリズムは、モータが定常回転している場合のように、モータ電流やモータ電圧が正弦波状に変化するときには、良好な精度でロータ回転位置およびロータ回転速度を推定することができる。
特開２０００−６８２９号公報

しかし、たとえば、電動パワーステアリング装置の駆動源としてブラシレスモータが用いられる場合には、発生すべきトルクが急変する場面が多い。たとえば、急操舵時や縁石を乗り越えたりするような場面では、アシスト力を急変させる必要があるため、モータの駆動目標値が大きく変動し、かつ、モータの回転速度も大きく変動する。このような状況では、モータ電流およびモータ電圧が正弦波状に変化することを保証することができない。具体的には、モータ駆動目標値が大きく変化すると、それに応じてモータ電流波形およびモータ電圧波形の振幅が急変するので、それらの波形に高周波成分が含まれることになる。また、モータ駆動目標値が大きくなれば、モータ電流およびモータ電圧の波形に歪みが生じ、高周波成分を含む波形となる。さらにまた、モータの回転速度が速くなれば、それに応じて、モータ電流およびモータ電圧の波形の周期が短くなるから、電流フィルタおよび電圧フィルタの遮断周波数を一定としていては、ロータ回転位置の推定に必要な信号成分が排除されてしまうおそれがある。

したがって、従来からの位置センサレス制御アルゴリズムは、モータ駆動目標値やモータ回転速度が頻繁に変動する用途においては、モータ電流およびモータ電圧を反映した位置推定および回転速度推定が困難になるおそれがあった。
そこで、この発明の一つの目的は、モータ駆動目標値の変動によらずに精度良く回転位置を推定することができ、これにより、精度の高いモータ駆動制御を実現できるモータ制御装置を提供することである。

また、この発明の他の目的は、モータ回転速度の変動によらずに精度良く回転位置を推定することができ、これにより、精度の高いモータ駆動制御を実現できるモータ制御装置を提供することである。

この発明のモータ制御装置は、モータ（３）に流れるモータ電流を検出するモータ電流検出手段（９）と、前記モータに印加されるモータ電圧を指示するモータ電圧指示手段（１３，１４）と、前記モータ電流検出手段の出力をフィルタリングする電流フィルタ（３２）と、前記モータ電圧指示手段の出力をフィルタリングする電圧フィルタ（３１）と、前記電流フィルタによってフィルタリングされたモータ電流、および前記電圧フィルタによってフィルタリングされたモータ電圧に基づいて、前記モータの回転位置を演算する回転位置演算手段（２１）と、前記モータの駆動目標値を微分して、駆動目標微分値を演算する微分手段（２４）と、前記回転位置演算手段によって演算されたモータの回転位置から当該モータの回転速度を演算する回転速度演算手段（２２）と、前記モータの駆動目標値、前記微分手段によって演算された駆動目標微分値、および前記回転速度演算手段によって演算された回転速度に応じて、前記電流フィルタおよび前記電圧フィルタの遮断周波数を可変設定する遮断周波数設定手段（２３）とを含む。なお、括弧内の英数字は後述の実施形態における対応構成要素等を表す。以下、この項において同じ。

この構成によれば、モータの駆動目標値に応じて電流フィルタおよび電圧フィルタの遮断周波数が可変設定されるので、駆動目標値の変動に適応してモータ電流およびモータ電圧をフィルタリングできる。したがって、回転位置演算手段は、フィルタリング後のモータ電流およびモータ電圧に基づいて、精度良く回転位置を演算することができる。その結果、モータの制御精度を高めることができる。

前記遮断周波数設定手段は、前記モータの駆動目標値が大きいほど前記遮断周波数を高く設定し、前記駆動目標微分値の絶対値が大きいほど前記遮断周波数を高く設定し、前記モータの回転速度が大きいほど前記遮断周波数を高く設定するものであることが好ましい。
この構成では、遮断周波数設定手段は、モータの駆動目標値が大きいほど、遮断周波数を高く設定する。これにより、モータの駆動目標値が大きくなり、それに応じて、モータ電流波形およびモータ電圧波形に歪みが生じたときに、それらの波形に含まれる高周波成分を回転位置演算手段へと与えることができる。これにより、モータ回転位置の演算に必要な信号成分を回転位置演算手段に供給できるので、回転位置演算の精度を高めることができる。

また、遮断周波数設定手段は、駆動目標微分値の絶対値が大きいほど遮断周波数を高く設定する。

この構成により、モータの駆動目標値の時間変化を加味して、遮断周波数が設定されるので、回転位置演算の精度を高めることができる。より具体的には、駆動目標値が変化すると、モータ電流波形およびモータ電圧波形の振幅に変化が生じるので、これらの波形中に高周波成分が含まれることになる。この高周波成分は、振幅の変化速度に依存するが、これは駆動目標値の変化速度、すなわち、駆動目標微分値（時間微分値）に対応することになる。そこで、駆動目標微分値に基づいて遮断周波数を可変設定することによって、回転位置の演算に必要な信号成分を回転位置演算手段に供給できる。その結果、回転位置演算の精度を高めることができる。

また、前記遮断周波数設定手段は、モータの回転速度が大きいほど、遮断周波数を高く設定する。

この構成によれば、モータの回転速度に応じて遮断周波数が設定されることにより、回転位置の演算精度をさらに高めることができる。モータの回転速度が大きくなれば、それに応じて、モータ電流波形およびモータ電圧波形の変化が高速になり、その周波数が高くなる。そこで、モータの回転速度に応じて電流フィルタおよび電圧フィルタの遮断周波数を変更することによって、モータの回転に対応した周波数成分の信号を回転位置演算手段に供給できる。これによって、回転位置演算の精度を高めることができる。

前記モータ制御装置は、前記回転速度演算手段によって演算される回転速度に応じて、前記回転位置演算手段によって演算される回転位置を補正する位置補正手段（２８，２９）をさらに含むことが好ましい。
モータ電流およびモータ電圧をそれぞれ電流フィルタおよび電圧フィルタで処理することによって、これらのフィルタの特性に応じた位相遅れが生じる。そして、この位相遅れは、モータ電流およびモータ電圧の周波数に依存する。モータ電流およびモータ電圧の周波数は、モータの回転速度に依存する。そこで、モータの回転速度に応じて回転位置演算手段による演算結果を補正することにより、電流フィルタおよび電圧フィルタでの位相遅れに起因する位置推定誤差を補正することができる。これにより、より精度の高い回転位置を求めることができる。
前記位置補正手段は、前記電流フィルタおよび前記電圧フィルタにおける周波数対位相の関係の符号を反転した特性に従う位置補償値を生成する位置補償部（２８）と、前記位置補償部が生成する位置補償値を前記回転位置演算手段によって演算される回転位置に加算する加算部（２９）とを含むことが好ましい。
この発明は、また、操舵トルクを検出するトルクセンサ（１）と、舵取り機構（２）に操舵補助力を与えるモータ（３）と、前記トルクセンサが検出する操舵トルクに応じた駆動目標値を生成し、前記駆動目標値に基づいて前記モータを駆動制御する、前述のようなモータ制御装置（５）とを含む、電動パワーステアリング装置を提供する。

以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
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１と、車両の舵取り機構２に操舵補助力を与える電動モータ３と、この電動モータ３を駆動制御するモータ制御装置５とを備えている。モータ制御装置５は、トルクセンサ１が検出する操舵トルクに応じて電動モータ３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。電動モータ３は、この実施形態では、三相ブラシレスＤＣモータであり、図２に図解的に示すように、界磁としてのロータ５０と、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のステータ巻線５１，５２，５３とを備えている。電動モータ３は、ロータの外部にステータを配置したインナーロータ型のものであってもよいし、筒状のロータの内部にステータを配置したアウターロータ型のものであってもよい。

モータ制御装置５は、マイクロコンピュータ７と、このマイクロコンピュータ７によって制御され、電動モータ３に電力を供給する駆動回路（インバータ回路）８と、電動モータ３の各相のステータ巻線に流れる電流を検出する電流センサ９とを備えている。マイクロコンピュータ７は、ＣＰＵおよびメモリ（ＲＯＭおよびＲＡＭなど）を備えており、所定のプログラムを実行することによって、複数の機能処理部として機能するようになっている。この複数の機能処理部には、電流指令値生成部１１と、ＰＩ（比例積分）制御部１２と、指示電圧生成部１３と、γδ／αβ座標変換部１４と、αβ／ＵＶＷ座標変換部１５と、ＰＷＭ制御部１６と、ＵＶＷ／αβ座標変換部１７と、αβ／γδ座標変換部１８と、偏差演算部１９と、信号処理部２０と、位置推定部２１と、回転速度推定部２２と、遮断周波数設定部２３と、電流指令値微分部２４とを備えている。

電流指令値生成部１１は、電動モータ３のロータ磁極方向に沿うｄ軸電流成分の指令値Ｉ_d ^*と、ｄ軸に直交するｑ軸電流成分の指令値Ｉ_q ^*を生成する。以下、これらをまとめて言うときには、「電流指令値ｉ_dq」という。ただし、ｄｑ座標平面はロータ５０の回転方向に沿う平面であり、ｄ軸およびｑ軸は、ロータ５０とともに回転する回転座標系を規定する（図２参照）。

電動モータ３のＵ相、Ｖ相およびＷ相に与えるべき電流（正弦波電流）の振幅を表す電流指令値Ｉ^*を用いると、ｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*およびｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*は、次式(1)(2)のように表される。

したがって、電流指令値生成部１１は、ｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*＝０を生成する一方で、トルクセンサ１によって検出される操舵トルクに応じたｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*を生成する。より具体的には、操舵トルクに対応したｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*を記憶したマップ（テーブル）を用いてｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*が生成されるようになっていてもよい。電動モータ３が発生するトルクは、モータ電流に対応するから、電流指令値ｉ_dqは、電動モータ３から発生させるべきトルクを指令するための「トルク指令値」と言い換えることもできる。

電流センサ９は、電動モータ３のＵ相電流Ｉ_U、Ｖ相電流Ｉ_VおよびＷ相電流Ｉ_wを検出する（以下、これらをまとめていうときには「三相検出電流Ｉ_UVW」という）。その検出値は、ＵＶＷ／αβ座標変換部１７に与えられる。
ＵＶＷ／αβ座標変換部１７は、三相検出電流Ｉ_UVWを、二相固定座標系上での電流Ｉ_αおよびＩ_β（以下、これらをまとめていうときには「二相検出電流Ｉ_αβ」という。）に座標変換する。二相固定座標系とは、ロータ５０の回転中心を原点としてα軸およびこれに直交するβ軸を定めた固定座標系である（図２参照）。座標変換された二相検出電流Ｉ_αβは、αβ／γδ座標変換部１８に与えられる。

αβ／γδ座標変換部１８は、二相検出電流Ｉ_αβを、位置推定部２１によって推定されるロータ回転位置θ^（以下、「推定回転位置θ^」という。）に従う回転座標系（γ−δ）上での電流Ｉ_γおよびＩ_δ（以下、これらをまとめていうときには「検出電流Ｉ_γδ」という。）に座標変換する。この回転座標系（γ−δ）は、推定回転位置θ^にロータ５０がある場合に、ロータ磁極方向に沿うγ軸と、このγ軸に直交するδ軸とによって規定される回転座標系である。推定回転位置θ^に誤差がなく、実際のロータ回転位置と一致しているとき、ｄｑ回転座標系とγδ回転座標系とは一致する。

検出電流Ｉ_γδは、偏差演算部１９に与えられるようになっている。この偏差演算部１９は、ｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*に対するγ軸電流Ｉ_γの偏差、およびｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*に対するδ軸電流Ｉ_δの偏差を演算する。これらの偏差がＰＩ制御部１２に与えられてそれぞれＰＩ演算処理を受ける。そして、これらの演算結果に応じて、指示電圧生成部１３によって、γ軸指示電圧Ｖ_γ ^*およびδ軸指示電圧Ｖ_δ ^*（以下、これらをまとめていうときには「指示電圧Ｖ_γδ」という。）が生成されて、γδ／αβ座標変換部１４に与えられる。

γδ／αβ座標変換部１４は、γ軸指示電圧Ｖ_γ ^*およびδ軸指示電圧Ｖ_δ ^*を、二相固定座標系の指示電圧であるα軸指示電圧Ｖ_α ^*およびβ軸指示電圧Ｖ_β ^*（以下、これらをまとめていうときには「二相指示電圧Ｖ_αβ」という。）に座標変換する。この二相指示電圧Ｖ_αβは、αβ／ＵＶＷ座標変換部１５に与えられる。
αβ／ＵＶＷ座標変換部１５は、α軸指示電圧Ｖ_α ^*およびβ軸指示電圧Ｖ_β ^*を三相固定座標系の指示電圧、すなわち、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の指示電圧Ｖ_U ^*，Ｖ_V ^*，Ｖ_W ^*（以下、これらをまとめていうときには「三相指示電圧Ｖ_UVW」という。）に変換する。

ＰＷＭ制御部１６は、三相の指示電圧Ｖ_U ^*，Ｖ_V ^*，Ｖ_W ^*に応じて制御されたデューティ比の駆動信号を生成して駆動回路８に与える。これにより、電動モータ３の各相には、該当する相の指示電圧Ｖ_U ^*，Ｖ_V ^*，Ｖ_W ^*に応じたデューティ比で電圧が印加されることになる。
このような構成によって、舵取り機構２に結合された操作部材としてのステアリングホイール（図示せず）に操舵トルクが加えられると、これがトルクセンサ１によって検出される。そして、その検出された操舵トルクに応じた電流指令値Ｉ_dqが電流指令値生成部１１によって生成される。この電流指令値Ｉ_dqと検出電流Ｉ_γδとの偏差が偏差演算部１９によって求められ、この偏差を零に導くようにＰＩ制御部１２によるＰＩ演算が行われる。この演算結果に対応した指示電圧Ｖ_γδが指示電圧生成部１３によって生成され、これが、座標変換部１４，１５を経て三相指示電圧Ｖ_UVWに変換される。そして、ＰＷＭ制御部１６の働きによって、その三相指示電圧Ｖ_UVWに応じたデューティ比で駆動回路８が動作することによって、電動モータ３が駆動され、電流指令値Ｉ_dqに対応したアシストトルクが舵取り機構２に与えられることになる。こうして、操舵トルクに応じて操舵補助を行うことができる。電流センサ９によって検出される三相検出電流Ｉ_UVWは、座標変換部１７，１８を経て、電流指令値Ｉ_dqに対応するように回転座標系（γ−δ）で表された検出電流Ｉ_γδに変換された後に、偏差演算部１９に与えられる。

回転座標系と固定座標系との間での座標変換のためには、ロータ５０の回転位置を表す位相角（電気角）θが必要である。この位相角を表す推定回転位置θ^が位置推定部２１によって生成され、γδ／αβ座標変換部１４およびαβ／γδ座標変換部１８に与えられるようになっている。
位置推定部２１は、電動モータ３の数学モデルであるモータモデルに基づき、電動モータ３の誘起電圧を外乱として推定する外乱オブザーバ２５と、この外乱オブザーバ２５が出力する推定誘起電圧から高周波成分を除去する低域通過フィルタで構成された推定値フィルタ２６と、この推定値フィルタ２６が出力する推定誘起電圧（フィルタリング後の値）に基づいて、ロータ５０の推定回転位置θ^を生成する推定位置生成部２７とを有している。

この位置推定部２１には、信号処理部２０によって信号処理（フィルタリング）がされた後の二相指示電圧Ｖ_αβおよび二相検出電流Ｉ_αβが与えられるようになっている。信号処理部２０は、二相指示電圧Ｖ_αβの高周波成分を除去する低域通過フィルタで構成された電圧フィルタ３１と、二相検出電流Ｉ_αβの高周波成分を除去する低域通過フィルタで構成された電流フィルタ３２とを有している。したがって、電圧フィルタ３１によってフィルタリングされた二相指示電圧Ｖ_αβと、電流フィルタ３２によってフィルタリングされた二相検出電流Ｉ_αβとが、位置推定部２１の外乱オブザーバ２５に入力されるようになっている。

回転速度推定部２２は、位置推定部２１から所定の制御周期毎に与えられる推定回転位置θ^の差分Δθ^を求めることにより、ロータ５０の推定回転速度ω^（＝Δθ^）を生成する。
電流指令値微分部２４は、電流指令値生成部１１が生成する電流指令値ｉ_dq（トルク指令値）を時間微分し、得られた微分値（駆動目標微分値）を遮断周波数設定部２３に与える。実際には、電流指令値微分部２４は、電流指令値ｉ_dqの前回値と今回値との差分を求め、これを電流指令値ｉ_dqの微分値として遮断周波数設定部２３に与える。

遮断周波数設定部２３は、推定値フィルタ２６、電圧フィルタ３１および電流フィルタ３２の遮断周波数ω_cをそれぞれ可変設定するものである。すなわち、推定値フィルタ２６、電圧フィルタ３１および電流フィルタ３２は、いずれも、遮断周波数ω_cの可変設定が可能な低域通過フィルタであり、それらの遮断周波数ω_cが遮断周波数設定部２３によって設定されるようになっている。遮断周波数設定部２３は、電流指令値生成部１１が生成する電流指令値ｉ_dq（モータ駆動値）と、回転速度推定部２２によって演算される推定回転速度ω^とに基づいて、フィルタ２６，３１，３２の遮断周波数ω_cを設定するように動作する。

図３は、外乱オブザーバ２５およびこれに関連する構成の一例を説明するためのブロック図である。電動モータ３の数学モデルであるモータモデルは、たとえば、（Ｒ＋ｐＬ）^-1と表すことができる。ただし、Ｒは電機子巻線抵抗、Ｌはαβ軸インダクタンス、ｐは微分演算子である。電動モータ３には、二相指示電圧Ｖ_αβと誘起電圧Ｅ_αβ（α軸誘起電圧Ｅ_αおよびβ軸誘起電圧Ｅ_β）とが印加されると考えることができる。

外乱オブザーバ２５は、二相検出電流Ｉ_αβを入力としてモータ電圧を推定する逆モータモデル（モータモデルの逆モデル）３５と、この逆モータモデル３５によって推定されるモータ電圧と二相指示電圧Ｖ_αβとの偏差を求める電圧偏差演算部３６とで構成することができる。電圧偏差演算部３６は、二相指示電圧Ｖ_αβに対する外乱を求めることになるが、図３から明らかなとおり、この外乱は誘起電圧Ｅ_αβに相当する推定値Ｅ^_αβ（α軸誘起電圧推定値Ｅ^_αおよびβ軸誘起電圧推定値Ｅ^_β。以下、まとめて「推定誘起電圧Ｅ^_αβ」という。）になる。逆モータモデル３５は、たとえば、Ｒ＋ｐＬで表される。

このように、この実施形態では、外乱オブザーバ２５は、二相固定座標系の指示電圧Ｖ_αβおよび検出電流Ｉ_αβを用いて推定誘起電圧Ｅ^_αβを求める構成であるので、電動モータ３の回転速度の影響を受けることなく誘起電圧を推定できる。これにより、回転速度変動の生じやすい電動パワーステアリング装置に使用される電動モータ３のロータ回転位置検出精度の向上に寄与できる。

推定値フィルタ２６は、たとえば、ａ／（ｓ＋ａ）で表される低域通過フィルタで構成することができる。ａは、設計パラメータであり、この設計パラメータａを可変設定することによって、推定値フィルタ２６の遮断周波数ω_cが変化する。すなわち、遮断周波数設定部２３は、この設計パラメータを可変設定することにより、遮断周波数ω_cを可変設定するように構成されている。

誘起電圧Ｅ_αβは、次の(3)式で表すことができる。ただし、Ｋ_Eは誘起電圧定数、θはロータ回転位置、ωはロータ回転速度である。

したがって、推定誘起電圧Ｅ^_αβが求まれば、次の(4)式に従って、ロータ５０の推定回転位置θ^が求まる。この演算が、推定位置生成部２７によって行われるようになっている。

図４は、遮断周波数設定部２３の働きを説明するための図であり、フィルタ２６，３１，３２の遮断周波数ω_cの設定例を示す図である。フィルタ２６，３１，３２のそれぞれに対して異なる遮断周波数を設定してもよいが、この例では、これらのフィルタ２６，３１，３２に対して共通の遮断周波数ω_cを設定するようにしている。

遮断周波数ω_cは、電動モータ３の推定回転速度ω^の増加に対して単調に増加するように設定される。より具体的には、図４の例では、推定回転速度ω^の増加に対してリニアに増加するように遮断周波数ω_cが設定されるようになっている。また、遮断周波数ω_cは、電流指令値ｉ_dqが大きいほど大きくなるように補正され、電流指令値ｉ_dqの微分値の絶対値が大きいほど大きくなるように補正されるようになっている。

より具体的には、推定回転速度ω^に応じて変化する基本遮断周波数ω^* _cが予め定められており、この基本遮断周波数ω^* _cが、電流指令値ｉ_dqおよびその微分値に応じて補正されるようになっている。推定回転速度ω^に対する基本遮断周波数ω^* _cの関係は、マップ（テーブル）の形式でメモリに記憶しておいてもよいし、関数演算によって推定回転速度ω^に応じた基本遮断周波数ω^* _cが求められるようになっていてもよい。基本遮断周波数ω^* _cは必ずしも定めておく必要はなく、たとえば、推定回転速度ω^、電流指令値ｉ_dqおよびその微分値に対応した遮断周波数ω_cを三次元のマップ（テーブル）に格納しておく構成とすることもできる。

図５は、電動モータ３のロータ回転速度に応じて遮断周波数ω_cを変化させることによる効果を説明するための図であり、モータ電流の時間変化が示されている。期間６１にはロータの回転速度が比較的遅く、期間６２にはロータの回転速度が速くなっている。それに応じて、期間６１における電流波形の周期は長い（電流波形の周波数は低い）が、期間６２における電流波形の周期は短く（電流波形の周波数は高く）なっている。もしも、期間６１の電流変化の周期に合わせて遮断周波数ω_cを固定していると、電流フィルタ３２によってフィルタリングされた後の電流信号は、期間６２におけるモータ電流の変化を忠実に表すことができない。これに対して、ロータ回転速度が速いほど遮断周波数ω_cを高く設定する本実施形態の構成であれば、いずれの期間においても、モータ電流の変化を忠実に表し、かつ、不必要なノイズ成分を除去した電流信号を電流フィルタ３２から出力させることができる。電圧フィルタ３１および推定値フィルタ２６についても同様のことが当てはまる。こうして、ロータ回転速度に応じて遮断周波数ω_cを変化させることによって、推定位置生成部２７での位置推定演算に必要な信号を得やすくなり、位置推定精度を高めることができる。

図６は、電流指令値ｉ_dqの微分値に応じて遮断周波数ω_cを変化させることによる効果を説明するための図であり、モータ電流の時間変化が示されている。電流指令値ｉ_dqの変化に応じて、モータ電流の振幅が変動する。すなわち、電流指令値ｉ_dqが大きいときには、参照符号６５で示すように、モータ電流の振幅が大きくなる。モータ電流の振幅が変化するときには、ロータ回転速度に変化がなくとも、回転速度よりも高周波数の成分がモータ電流波形に含まれることになる。そこで、電流指令値ｉ_dqの微分値の絶対値が大きいほど遮断周波数ω_cを高くすることにより、モータ電流の振幅に追従した電流信号を電流フィルタ３２から出力させることができ、かつ、不必要なノイズ成分を除去できる。電圧フィルタ３１および推定値フィルタ２６についても同様のことが当てはまる。こうして、推定位置生成部２７での位置推定演算に必要な信号を得やすくなるので、位置推定精度を高めることができる。

図７は、電流指令値ｉ_dqに応じて遮断周波数ω_cを変化させることによる効果を説明するための図であり、モータ電流の時間変化が示されている。電流指令値ｉ_dqが大きくなるとモータ電流の振幅が大きくなることは前述のとおりであるが、モータ電流が大きくなるに従って、モータ電流波形が正弦波にならなくなり、参照符号６７で示すように歪みが生じるようになる。この場合、モータ電流波形に、ロータ回転速度よりも高周波数の成分が含まれることになる。そこで、この実施形態では、電流指令値ｉ_dqが大きいほど遮断周波数ω_cを高くして、電流フィルタ３２から、モータ電流波形をより忠実に表す信号を出力させるようにし、かつ、不必要なノイズ成分を除去できるようにしている。電圧フィルタ３１および推定値フィルタ２６についても同様である。こうして、推定位置生成部２７での位置推定演算に必要な信号を得やすくなるので、位置推定精度を高めることができる。

図８は、マイクロコンピュータ７によるロータ回転位置推定演算の流れを説明するためのフローチャートであり、主として、信号処理部２０、位置推定部２１、回転速度推定部２２および遮断周波数設定部２３によって制御周期毎に繰り返し実行される処理の流れが示されている。
γδ／αβ座標変換部１４で演算された二相指示電圧Ｖ_αβは、電圧フィルタ３１に入力され、ＵＶＷ／αβ座標変換部１７で演算された二相検出電流Ｉ_αβは、電流フィルタ３２に入力される（ステップＳ１）。

一方、遮断周波数設定部２３は、推定回転速度ω^（ただし、前回の制御周期で回転速度推定部２２が求めた推定値）、電流指令値ｉ_dqおよびその微分値に基づいて、遮断周波数ω_cを設定する（ステップＳ２）。すなわち、推定値フィルタ２６、電圧フィルタ３１および電流フィルタ３２の遮断周波数が当該設定値ω_cとなるように、各フィルタの設計パラメータを設定する。

これにより、電圧フィルタ３１および電流フィルタ３２では、入力される電圧信号および電流信号に対して、当該設定された遮断周波数ω_cでのフィルタリングが行われる（ステップＳ３）。
このフィルタリング後の電圧信号および電流信号を用いて、外乱オブザーバ２５が推定誘起電圧Ｅ^_αβを求める（ステップＳ４）。この推定誘起電圧Ｅ^_αβに対して、推定値フィルタ２６がフィルタリングを行う（ステップＳ５）。このフィルタリングは、遮断周波数ω_cでの低域通過フィルタ処理である。

こうしてフィルタリングされた推定誘起電圧Ｅ^_αβを用いて、推定位置生成部２７での位置推定が行われて推定回転位置θ^が求められ、さらにその推定回転位置θ^に基づいて、回転速度推定部２２での回転速度推定演算が行われる（ステップＳ６）。
以上のように、この実施形態によれば、電圧フィルタ３１、電流フィルタ３２および推定値フィルタ２６の遮断周波数ω_cが、推定回転速度ω^、電流指令値ｉ_dqおよびその微分値に基づいて可変設定される。これにより、誘起電圧の推定演算に必要十分な電流信号および電圧信号を外乱オブザーバ２５に入力することができ、さらに、回転位置推定演算に必要十分な周波数帯に処理された推定誘起電圧Ｅ^_αβを推定位置生成部２７に入力することができる。その結果、位置推定精度を高めることができるから、γδ／αβ座標変換部１４およびαβ／γδ座標変換部１８での座標変換演算が正確に行われるようになり、ひいては、電動モータ３を高精度にセンサレス制御できるようになる。

図９は、この発明の第２の実施形態を説明するためのブロック図であり、前述の図１の構成において位置推定部２１に代えて用いることができる位置推定部２１１の構成が示されている。この位置推定部２１１は、推定位置生成部２７が生成する推定回転位置の誤差を補償（補正）するための位置補償値（補正値）θ_cを生成する推定位置補償部２８と、この推定位置補償部２８が生成する位置補償値θ_cを推定位置生成部２７が生成する推定回転位置θ^に加えて、補正後の推定回転位置（＝θ^＋θ_c）を生成する加算部２９とを備えている。そして、この加算部２９が生成する前記補正後の推定回転位置が、回転速度推定部２２、γδ／αβ座標変換部１４およびαβ／γδ座標変換部１８に与えられるようになっている。

図１０は、推定位置補償部２８が生成する位置補償値の一例を説明するための図である。推定位置補償部２８は、回転速度推定部２２によって求められる推定回転速度ω^（モータ回転速度）に応じて、曲線（折線）７１で示される補償値特性曲線に従い、０°〜９０°の範囲で位置補償値θ_cを生成する。すなわち、位置補償値θ_cの下限値は０°であり、その上限値は９０°である。推定回転速度ω^（モータ回転速度）が所定の第１閾値ＴＨ１未満では、位置補償値θ_cは下限値０°とされる。また、推定回転速度ω^（モータ回転速度）が所定の第２閾値ＴＨ２（＞ＴＨ１）を超えるときには、位置補償値θ_cは上限値９０°とされる。そして、第１および第２閾値ＴＨ１，ＴＨ２の間の推定回転速度ω^（モータ回転速度）に対しては、モータ回転速度が大きいほど大きくなるように位置補償値θ_cが定められる。図１０の例では、第１閾値ＴＨ１以上第２閾値ＴＨ２以下の範囲では、推定回転速度ω^（モータ回転速度）に対してリニアに変化するように位置補償値θ_cが定められるようになっている。

図１１は、信号処理部２０（電圧フィルタ３１および電流フィルタ３２）による位相遅れの問題を説明するための図である。この図１１には、一例として、信号処理部２０を単純な一次のローパスフィルタ（低域通過フィルタ）であると仮定し、その遮断周波数をω_c（Hz）としたときのボード線図が示されている。上段の図が周波数に対するゲインの変化を示し、下段の図が周波数に対する位相の変化を示している。

遮断周波数ω_cを位相遅れのない低周波領域に設定できるなら、フィルタ処理後の信号を用いて、正確にロータ回転位置を推定できる。
しかし、電動パワーステアリング装置の場合には、ロータ回転位置推定に必要な信号の周波数域が、位相遅れが生じる周波数域に入っている。そのため、遮断周波数ω_cは位相遅れが生じる周波数域に設定されることになる。したがって、モータ回転速度がωの場合に、ロータの回転位置の演算に誤差θεが生じる。

推定位置補償部２８は、このような誤差θεを補償するための位置補償値θ_cを生成するものである。
図１０には、図１１のボード線図における周波数対位相の関係の符号を反転した参照曲線７２が二点鎖線で示されている。この参照曲線７２に従って位置補償値θ_cを生成すれば、信号処理部２０に起因する誤差θεを補償することができる。前述の曲線７１は、参照曲線７２を線形近似したものである。むろん、この曲線７１は一例にすぎず、参照曲線７２に対して非線形近似を行って補償値特性曲線を定めてもよい。また、曲線７１に従って得られた位置補償値θ_cに対して、信号処理部２０の時間遅れなどを考慮して、オフセットを加算するなどの変形も可能である。

むろん、信号処理部２０は、一次のローパスフィルタで構成しなければならないわけではない。他の構成のフィルタ処理が適用される場合には、補償値特性曲線もそれに応じて定めればよい。
このように、この実施形態では、信号処理部２０で生じる位相遅れ分を推定回転速度ω^に応じて補償した正確な推定回転位置（θ^＋θ_c）が求められるので、さらに高精度に電動モータ３を制御することができる。換言すれば、信号処理部２０での処理については、フィルタ処理に起因する位相遅れに対する配慮が不要になるので、位置推定部２１に入力される信号が最適化されるように信号処理部２０での信号処理が可能になる。これにより、位置推定精度を格段に向上することができ、センサレス制御時の電動モータ３の性能および効率を向上することができる。

推定位置補償部２８は、推定回転速度ω^に対する位置補償値θ_cの関係を定めたマップ（テーブル）で構成することができるほか、信号処理部２０のモデル（数学モデル）と推定回転速度ω^とに基づき、信号処理部２０での位相遅れに対応した位置補償値を算出する構成とすることもできる。
以上、この発明の２つの実施形態について説明したが、この発明はさらに他の形態で実施することもできる。たとえば、前述の実施形態では、電動パワーステアリング装置の駆動源としての電動モータ３に本発明が適用された例について説明したが、この発明は、電動パワーステアリング装置以外の用途の電動モータの制御に対しても適用が可能である。

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。

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。 電動モータの構成を説明するための図解図である。 外乱オブザーバおよびこれに関連する構成の一例を説明するためのブロック図である。 遮断周波数設定部の働きを説明するための図であり、遮断周波数の設定例を示す。 ロータ回転速度に応じて遮断周波数を変化させることによる効果を説明するための図である。 電流指令値の微分値に応じて遮断周波数を変化させることによる効果を説明するための図である。 電流指令値に応じて遮断周波数を変化させることによる効果を説明するための図である。 ロータ回転位置推定演算の流れを説明するためのフローチャートである。 この発明の他の実施形態を説明するためのブロック図であり、図１の構成において用いることができる位置推定部の他の構成例を示す。 位置補償値の一例を説明するための図である。 信号処理部での処理に起因する位相遅れの問題を説明するための図である。

符号の説明

５…モータ制御装置、７…マイクロコンピュータ、９…電流センサ、２０…信号処理部、２１…位置推定部、２１１…位置推定部

Claims (5)

1. モータに流れるモータ電流を検出するモータ電流検出手段と、
   前記モータに印加されるモータ電圧を指示するモータ電圧指示手段と、
   前記モータ電流検出手段の出力をフィルタリングする電流フィルタと、
   前記モータ電圧指示手段の出力をフィルタリングする電圧フィルタと、
   前記電流フィルタによってフィルタリングされたモータ電流、および前記電圧フィルタによってフィルタリングされたモータ電圧に基づいて、前記モータの回転位置を演算する回転位置演算手段と、
   前記モータの駆動目標値を微分して、駆動目標微分値を演算する微分手段と、
   前記回転位置演算手段によって演算されたモータの回転位置から当該モータの回転速度を演算する回転速度演算手段と、
   前記モータの駆動目標値、前記微分手段によって演算された駆動目標微分値、および前記回転速度演算手段によって演算された回転速度に応じて、前記電流フィルタおよび前記電圧フィルタの遮断周波数を可変設定する遮断周波数設定手段とを含む、モータ制御装置。
2. 前記遮断周波数設定手段は、前記モータの駆動目標値が大きいほど前記遮断周波数を高く設定し、前記駆動目標微分値の絶対値が大きいほど前記遮断周波数を高く設定し、前記モータの回転速度が大きいほど前記遮断周波数を高く設定するものである、請求項１記載のモータ制御装置。
3. 前記回転速度演算手段によって演算される回転速度に応じて、前記回転位置演算手段によって演算される回転位置を補正する位置補正手段をさらに含む、請求項１または２記載のモータ制御装置。
4. 前記位置補正手段は、前記電流フィルタおよび前記電圧フィルタにおける周波数対位相の関係の符号を反転した特性に従う位置補償値を生成する位置補償部と、前記位置補償部が生成する位置補償値を前記回転位置演算手段によって演算される回転位置に加算する加算部とを含む、請求項３記載のモータ制御装置。
5. 操舵トルクを検出するトルクセンサと、
   舵取り機構に操舵補助力を与えるモータと、
   前記トルクセンサが検出する操舵トルクに応じた駆動目標値を生成し、前記駆動目標値に基づいて前記モータを駆動制御する請求項１〜４のいずれか一項に記載のモータ制御装置とを含む、電動パワーステアリング装置。

Images