CN102067438A - 电机控制装置及具有其的车辆用转向装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供电机控制装置及具有其的车辆用转向装置。该电机控制装置用于控制电机，该电机具有转子和与该转子相对的定子。该电机控制装置包括：电流驱动单元，其以依据作为用于控制的旋转角的控制角的旋转坐标系的轴电流值来驱动上述电机；控制角运算单元，其在规定的每个运算周期中，通过在控制角的前次值上加以相加角而求取控制角的此次值；以及相加角运算单元，其以与上述电机应该产生的转矩或者上述电机对上述轴电流值的响应对应的方式运算上述相加角。

Description

电机控制装置及具有其的车辆用转向装置

技术领域

本发明涉及用于驱动无刷电机的电机控制装置及具有它的车辆用转向装置。车辆用转向装置的一个例子是电动动力转向装置。

背景技术

用于驱动控制无刷电机的电机控制装置，一般构成为根据用于检测转子的旋转角的旋转角传感器的输出控制电机电流的供给。作为旋转角传感器，一般使用输出与转子旋转角(电角)对应的正弦波信号和余弦波信号的解算器。但是，解算器价格高昂，配线数众多，而且设置空间也较大。因此，存在妨碍具有无刷电机的装置的成本降低和小型化的问题。

于是，提出了驱动无刷电机而不使用旋转角传感器的无传感器驱动方式。无传感器驱动方式是通过推定伴随转子旋转而产生的感应电压，来推定磁极的相位(转子的电角)的方式。因为在转子停止时和极低速旋转时，不能够推定感应电压，所以以别的方式推定磁极的相位。具体地说，对定子输入传感信号，检测电机对于该传感信号的响应。基于该电机响应，推定转子旋转位置。

专利文献1：日本特开2007-267549号公报

上述无传感器驱动方式是，使用感应电压、传感信号推定转子的旋转位置，基于由该推定得到的旋转位置控制电机。但是，该驱动方式并非适用于所有的用途。例如，应用于作为对车辆的转向机构施加转向辅助力的电动动力转向装置的驱动源使用的无刷电机的控制的方法并未确立。因此，希望实现其它方式的无传感器控制。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种能够以不使用旋转角传感器的新的控制方式控制电机的电机控制装置及使用其的车辆用转向装置。

本发明的一个方式是用于控制电机(3)的电机控制装置，该电机(3)具有转子(50)和与该转子相对的定子(55)，该电机控制装置包括：电流驱动单元(31～36、31A、45)，其以依据作为用于控制的旋转角的控制角(θ_C)的旋转坐标系的轴电流值(I_γ ^*)来驱动上述电机；控制角运算单元(26)，其在规定的每个运算周期中，通过在控制角的前次值上加以相加角(α)而求取控制角的此次值；以及相加角运算单元(23、40、47、49)，其以与上述电机应该产生的转矩或者上述电机对上述轴电流值的响应对应的方式运算上述相加角。在该项中，括号内的英文数字表示后述的实施方式中的对应构成要素等，当然该发明的范围并不限定于该实施方式。

根据该结构，利用依据控制角的旋转坐标系(γδ坐标系，以下称为“虚拟旋转坐标系”，将该虚拟旋转坐标系的坐标轴称为“虚拟轴”)的轴电流值(以下称为“虚拟电流值”)驱动电机，另一方面，控制角在每个运算周期中通过加以相加角α而被更新。而且，相加角是与电机应该产生的转矩或者相对于上述虚拟轴电流值的上述电机的响应对应的值。由此，能够在更新控制角，即更新虚拟旋转坐标系的坐标轴(虚拟轴)的同时，以虚拟轴电流值驱动电机，从而能够产生需要的转矩。这样，能够从电机产生适当的转矩而不使用旋转角传感器。

上述电机控制装置优选还包括用于限制上述相加角的限制单元(24)。根据该结构，通过对相加角加以适当的限制，能够抑制与实际的转子的旋转相比过大的相加角加在控制角上。更具体地说，通过以在相对于转子的旋转速度范围内设定相加角的方式加以限制，能够更适当地控制电机。

上述限制单元，例如可以将相加角的绝对值限制为下式的限制值以下。其中，下式的“最大转子角速度”是电角下的转子角速度的最大值。

        限制值＝最大转子角速度×运算周期

例如，在将电机的旋转经由规定减速比的减速机构传递至车辆用转向装置的转向轴时，最大转子角速度为最大转向角速度(转向角的最大旋转角速度)×减速比×极对数。“极对数”是转子具有的磁极对(N极和S极的对)的数目。

本发明的一个方式是一种车辆用转向装置，其包括：电机(3)，其向车辆的转向机构(2)施加驱动力；转矩检测单元(1)，其检测施加于为了上述车辆的转向而被操作的操作部件的转向转矩；以及上述电机控制装置(5)，其用于控制上述电机，上述相加角运算单元(22、23、40)根据上述转矩检测单元检测出的转向转矩运算上述相加角。

车辆用转向装置的驱动源的电机所应该产生的转矩与转向转矩对应，将与驾驶员的转向意图对应的驱动力施加于转向机构。在该方式中，根据转向转矩运算相加角。因为根据转向转矩更新相加角，所以依据转子的磁极方向的旋转坐标系(dq坐标系)的坐标轴与上述虚拟轴的偏差量(负载角)成为与转向转矩对应的值。结果，从电机产生与转向转矩对应的适当的转矩，能够将与驾驶员的转向对应的驱动力施加于转向机构。

在操作部件和转向机构机械结合的车辆用转向装置中，相对于虚拟轴电流值的电机的响应(电机产生的转矩)表现为转向转矩的变化。由此，在这样的车辆用转向装置中，根据转向转矩运算相加角，也可以看作是根据相对于虚拟轴电流值的电机的响应运算相加角。

上述车辆用转向装置也可以还包括设定指示转向转矩的指示转向转矩设定单元(21)。上述相加角运算单元(22、23)优选根据由上述指示转向转矩设定单元设定的指示转向转矩与由上述转矩检测单元检测出的转向转矩的偏差来运算上述相加角。

根据该结构，能够设定指示转向转矩，根据该指示转向转矩与转向转矩(检测值)的偏差运算上述相加角。以转向转矩成为该指示转向转矩的方式来确定相加角，决定与其对应的控制角。由此，当适当地设定了指示转向转矩时，电机产生适当的驱动力，能够将其施加于转向机构。

例如，在电动动力转向装置中，如果将指示转向转矩定为零，则以转向转矩为零的方式控制电机。由此，驾驶员能够不感觉到转向阻力地进行转向。这样的控制，例如在作为旋转角传感器发生故障时的继续控制进行无传感器控制时能够应用，也能够用作由于传感器类等的故障而导致不能够进行通常控制的异常时候的无传感器控制的一个方式。为了留有一定程度的转向阻力，只要使指示转向转矩为非零的值，在感觉到转向阻力的同时进行操作即可。

上述车辆用转向装置也可以还包括检测上述操作部件的转向角的转向角检测单元(4)。上述指示转向转矩设定单元优选根据上述转向角检测单元检测出的转向角来设定指示转向转矩。

根据该结构，根据操作部件的转向角来设定指示转向转矩，因此电机能够产生与转向角对应的适当的转矩，能够得到良好的转向感。

上述指示转向转矩设定单元也可以根据由检测上述车辆的速度的车速检测单元(6)所检测出的该车速来设定指示转向转矩。

根据该结构，根据车速来设定指示转向转矩，因此能够进行车速感应控制。例如，通过设定为车速越大则指示转向转矩越小，能够得到优异的转向感。

上述车辆用转向装置优选还包括异常判定单元(30)，其在由上述指示转向转矩设定单元设定的指示转向转矩与上述转矩检测单元检测出的转向转矩的偏差的绝对值为规定的偏差阈值以上，或者上述转矩检测单元检测出的转向转矩的绝对值为规定的转矩阈值以上时，判定为发生了异常。

根据该结构，能够基于指示转向转矩与转向转矩的偏差或者转向转矩进行异常判定。由此，能够具有自我诊断功能。

在判定为发生了异常时，例如，优选将供给电机的电流控制为零，抑制电机成为对于转向机构的负载(阻力)。由此，能够通过操作部件的操作驱动(所谓的手动转向)转向机构。

上述电流驱动单元也可以是生成包含角度推定用电流值的轴电流值的单元(45)。上述相加角运算单元优选包括负载角运算单元(49)，其基于与上述角度推定用电流值对应的上述电机的响应，将作为上述控制角与上述转子的旋转角的差的负载角作为上述相加角运算出来。

根据该结构，对虚拟轴供给角度推定用电流值，并且检测出与此对应的电机的响应。电机产生的转矩成为与作为虚拟轴与dq坐标轴的偏差(角度差)的负载角对应的值。由此，根据角度推定用电流值与电机的响应(特别是转矩或有助于转矩产生的电流成分)的关系，能够推定负载角。通过将该负载角作为相加角相加于控制角，能够推定转子的实际的旋转角。由此，能够控制电机而不需要旋转角传感器。

在操作部件和转向机构机械结合的车辆用转向装置(例如电动动力转向装置)中，对于角度推定用电流值的电机转矩的变动表现为转向转矩的变化。由此，在这样的车辆用转向装置中，能够根据与角度推定用电流对应的转向转矩的变动来运算负载角。

本发明的上述或其它目的、特征和效果，能够通过参照附图的下述实施方式的说明变得更明确。

附图说明

图1是用于说明应用本发明的一实施方式的电机控制装置的电动动力转向装置的电结构的框图；

图2是用于说明电机的结构的图解图；

图3是上述电动动力转向装置的控制框图；

图4是表示指示转向转距相对于转向角的特性的例子的图；

图5是表示γ轴指示电流值的设定例的图；

图6是用于说明加减法判断部和加减系数乘法部的动作的说明图；

图7是用于说明加减法判断部的处理的流程图；

图8是用于说明控制角的运算周期的图；

图9是用于说明限制器的动作的流程图；

图10是用于说明异常判定部的处理的流程图；

图11是用于说明本发明的另一实施方式的电动动力转向装置的结构的框图；

图12是用于说明本发明的又一实施方式的电机控制装置的结构的框图；以及

图13是表示图12的实施方式中的δ轴指示电流值的设定例的图。

附图标记说明

1……转矩传感器；3……电机；4……转向角传感器；5……电机控制装置；11……微机；26……控制角运算部；50……转子；51、52、53……定子绕组；55……定子

具体实施方式

图1是用于说明应用本发明的一实施方式的电机控制装置的电动动力转向装置(车辆用转向装置的一个例子)的电结构的框图。该电动动力转向装置包括：转矩传感器1，其检测对作为用于操纵车辆的操作部件的转向轮10施加的转向转矩T；电机3(无刷电机)，其经由减速机构7对车辆的转向机构2施加转向辅助力；转向角传感器4，其检测作为转向轮10的旋转角的转向角；电机控制装置5，其对电机3进行驱动控制；以及车速传感器6，其检测搭载有该电动动力转向装置的车辆的速度。

电机控制装置5，通过根据转矩传感器1检测出的转向转矩、转向角传感器4检测出的转向角和车速传感器6检测出的车速驱动电机3，实现与转向状况和车速对应的适当的转向辅助。

在该实施方式中，电机3为三相无刷电机，如图2的图解所示，具有作为磁场的转子50，和配置于与该转子50相对的定子55上的U相、V相和W相的定子绕组51、52、53。电机3可以为使定子在转子的外部相对配置的内部转子型，也可以为使定子在筒状的转子的内部相对配置的外部转子型。

定义使U轴、V轴和W轴为各相的定子绕组51、52、53的方向的三相固定坐标(UVW坐标系)。此外，定义使d轴(磁极轴)为转子50的磁极方向，使q轴(转矩轴)为转子50的旋转平面内与d轴成直角的方向的二相旋转坐标系(dq坐标系，实际旋转坐标系)。dq坐标系是与转子50一同旋转的旋转坐标系。dq坐标系中，仅q轴电流有助于转子50产生转矩，因此，使d轴电流为零，根据期望的转矩控制q轴电流即可。转子50的旋转角(转子角)θ_M是d轴相对于U轴的旋转角。dq坐标系是依据转子角θ_M的实际旋转坐标系。通过使用该转子角θ_M，能够进行UVW坐标系与dq坐标系之间的坐标变换。

另一方面，在本实施方式中，导入表示用于控制的转子旋转角的控制角θ_C，控制角θ_C是相对于U轴的虚拟的旋转角。令与该控制角θ_C对应的虚拟的轴为γ轴，令相对于该γ轴前进90°的轴为δ轴，定义虚拟二相旋转坐标系(γδ坐标系，虚拟旋转坐标系)。在控制角θ_C与转子角θ_M相等时，作为虚拟旋转坐标系的γδ坐标系与作为实际旋转坐标系的dq坐标系一致。即，作为虚拟轴的γ轴与作为实轴的d轴一致，作为虚拟轴的δ轴与作为实轴的q轴一致。γδ坐标系是依据控制角θ_C的虚拟旋转坐标系。UVW坐标系和γδ坐标系的坐标变换能够使用控制角θ_C进行。

将控制角θ_C与转子角θ_M的差定义为负载角θ_L(＝θ_C-θ_M)。

当依据控制角θ_C将γ轴电流I_γ供给至电机3时，该δ轴电流I_γ的q轴成分(对q轴的正投影)成为有助于转子50的转矩产生的q轴电流I_q。即，在γ轴电流I_γ与q轴电流I_q之间，成立下式(1)的关系。

        I_q＝I_γ·sinθ_L……(1)

再次参照图1。电机控制装置5包括：微机11；驱动电路(逆变电路12)，其被该微机11控制，并向电机3供给电力；以及电流检测部13，其检测流过电机3的各相的定子绕组的电流。

电流检测部13检测流过电机3的各相定子绕组51、52、53的相电流I_U、I_V、I_W(以下总称的时候称作“三相检测电流I_UVW”)。它们是UWV坐标系中的各坐标轴方向的电流值。

微机11具有CPU和存储器(ROM和RAM等)，通过执行规定的程序，作为多个功能处理部起作用。该多个功能处理部包括：指示转向转矩设定部21、转矩偏差运算部22、PI(比例积分)控制部23、限制器24、加减系数乘法部25、控制角运算部26、加减法判定部27、异常判定部30、指示电流值生成部31、电流偏差运算部32、PI控制部33、γδ/UVW变换部34、PWM(Pulse Width Modulation，脉宽调制)控制部35以及UVW/γδ变换部36。

指示转向转矩设定部21，基于由转向角传感器4检测出的转向角和由车速传感器6检测出的车速，设定指示转向转矩T^*。例如，如图4所示，在转向角为正值(向右方转向的状态)时指示转向转矩T^*设定为正值(向右方向的转矩)，在转向角为负值(向左方向转向的状态)时指示转向转矩T^*设定为负值(向左方向的转矩)。而且，以随着转向角的绝对值变大，其绝对值变大(在图4的例子中为非线性变大)的方式设定指示转向转矩T^*。但是，在规定的上限值(正值，例如+6Nm)和下限值(负值，例如-6Nm)的范围内进行指示转向转矩T^*的设定。此外，指示转向转矩T^*以车速越大其绝对值越小的方式设定。即，进行车速感应控制。

转矩偏差运算部22求取由指示转向转矩设定部21设定的指示转向转矩T^*和由转矩传感器1检测出的转向转矩T(以下为了进行区别而称为“检测转向转矩T”)的偏差(转矩偏差)ΔT。PI控制部23进行相对于该转矩偏差ΔT的PI运算。即，由转矩偏差运算部22和PI控制部23，构成用于将指示转向转矩T^*引导向检测转向转矩T的转矩反馈控制单元。PI控制部23通过进行相对于转矩偏差ΔT的PI运算，运算相对于控制角θ_C的相加角α。

限制器24是对由PI控制部23求得的相加角α加以限制的限制单元。更具体地说，限制器24将相加角α限制于规定的上限值UL(正值)和下限值LL(负值)之间的值。

加减系数乘法部25对相加角α乘以加法系数“+1”或减法系数“-1”。被乘以该加法系数或减法系数的相加角α，在控制角运算部26的加法器26A中，被相加于控制角θ_C的前次值θ_C(n-1)(n是此次运算周期的编号)(Z^-1表示信号的前次值)。即，在相加角α上乘以加法系数“+1”时，控制角θ_C的此次值θ_C(n)＝θ_C(n-1)+α。与此相对，在相加角α上乘以减法系数“-1”时，控制角θ_C的此次值θ_C(n)＝θ_C(n-1)-α。其中，控制角θ_C的初始值为预先决定的值(例如零)。

控制角运算部26包含加法器26A，其将从加减系数乘法部25得到的相加角α加于控制角θ_C的前次值θ_C(n-1)。即，控制角运算部26运算每个规定的运算周期的控制角θ_C。并且，令前次运算周期中的控制角θ_C为前次值θ_C(n-1)，使用它运算作为此次运算周期中的控制角θ_C的此次值θ_C(n)。

加减法判定部27判断在加减系数乘法部25中应乘以相加角α的系数是加法系数“+1”还是减法系数“-1”。更具体地说，加减法判定部27，基于由转矩偏差运算部22运算出的转矩偏差ΔT和检测转向转矩T的时间微分值(转向转矩微分值)T’，判断是应该维持加减系数乘法部25中的现在的系数，还是应该将该系数在加法系数“+1”与减法系数“-1”之间进行反转。然后，加减法判断部27基于其判断结果，选择加法系数“+1”和减法系数“-1”中的任意一方，设定于加减系数乘法部25。在后面详细叙述该加减法判断部27的处理。

异常判定部30，基于由转矩偏差运算部22运算出的转矩偏差ΔT和由转矩传感器1检测出的检测转向转矩T，进行异常判定处理。该异常判定处理的结果被通知给指示电流值生成部31。当由异常判定部30判定为发生了异常时，指示电流值生成部31将指示电流值设定为预先决定的一定值(例如零)。

指示电流值生成部31生成应该流过与作为用于控制的旋转角的上述控制角θ_C对应的虚拟旋转坐标系即γδ坐标系的坐标轴(虚拟轴)的电流值作为指示电流值。具体地说，生成γ轴指示电流值I_γ ^*和δ轴指示电流值I_δ ^*(以下对它们进行总称时称为“二相指示电流值I_γδ ^*”)。指示电流值生成部31使γ轴指示电流值I_γ ^*为有效值，而使δ轴指示电流值I_δ ^*为零。更具体地说，指示电流值生成部31基于由转矩传感器1检测出的检测转向矩T来设定γ轴指示电流I_γ ^*。

γ轴指示电流I_γ ^*相对于检测转向转矩T的设定例表示于图5。在检测转向转矩T为零附近的区域中设置有非感应带NR。γ轴指示电流值I_γ ^*设定为，在非感应带NR的外侧的区域急剧上升，在规定的转矩以上时大致为一定值。由此，在驾驶员没有操作转向轮10时，停止向电机3的通电，抑制不需要的电力消耗。

电流偏差运算部32运算γ轴检测电流I_γ相对于由指示电流值生成部31生成的γ轴指示电流值I_γ ^*的偏差I_γ ^*-I_γ，和δ轴检测电流I_δ相对于δ轴指示电流值I_δ ^*(＝0)的偏差I_δ ^*-I_δ。γ轴检测电流I_γ和δ轴检测电流I_δ从UVW/γδ变换部36供给至偏差运算部32。

UWV/γδ变换部36将由电流检测部13检测出的UVW坐标系的三相检测电流I_UVW(U相检测电流I_U、V相检测电流I_V和W相检测电流I_W)变换为γδ坐标系的二相检测电流I_γ和I_δ(以下总称时称为“二相检测电流I_γδ”)。它们被供给至电流偏差运算部32。在UVW/γδ变换部36的坐标变换中，使用由控制角运算部26运算出的控制角θ_C。

PI控制部33通过进行对于由电流偏差运算部32运算出的电流偏差的PI运算，生成应该施加于电机3的二相指示电压V_γδ(γ轴指示电压V_γ和δ轴指示电压V_δ)。该二相指示电压V_γδ被供给至γδ/UVW变换部34。

γδ/UVW变换部34通过对二相指示电压V_γδ进行坐标变换运算，生成三相指示电压V_UVW。三相指示电压V_UVW由U相指示电压V_U、V相指示电压V_V和W相指示电压V_W构成。该三相指示电压V_UVW被施加于PWM控制部35。

PWM控制部35生成具有与U相指示电压V_U、V相指示电压V_V和W相指示电压V_W分别对应的占空比的U相PWM控制信号、V相PWM控制信号和W相PWM控制信号，并供给驱动电路12。

驱动电路12由与U相、V相和W相对应的三相逆变电路构成。构成该逆变电路的功率元件由从PWM控制部35施加的PWM控制信号控制，由此与三相指示电压V_UVW相当的电压被施加于电机3的各相的定子绕组51、52、53。

电流偏差运算部32和PI控制部33构成电流反馈控制单元。通过该电流反馈控制单元的动作，进行控制使得流过电机3的电机电流接近由指示电流值生成部31设定的二相指示电流值I_γδ ^*。

图3是上述电动动力转向装置的控制框图。其中，为了使说明简单，省略了限制器24和加减系数乘法部25的功能。

通过对于指示转向转矩T^*与检测转向转矩T的偏差(转矩偏差)的PI控制(K_P是比例系数，K_I是积分系数，1/s是积分算子)，生成相加角α。通过将该相加角α加于控制角θ_C的前次值θ_C(n-1)，求取控制角θ_C的此次值θ_C(n)＝θ_C(n-1)+α。此时，控制角θ_C与转子50的实际的转子角θ_M的偏差为负载角θ_L＝θ_C-θ_M。

由此，当向依据控制角θ_C的γδ坐标系(虚拟旋转坐标系)的γ轴(虚拟轴)供给依据γ轴电流指示值I_γ ^*的γ轴电流I_γ时，q轴电流I_q成为I_γsinθ_L。该q轴电流I_q有助于转子50的转矩产生。即，使电机3的转矩常数K_T乘以q轴电流Iq(＝I_γsinθ_L)而得的值，作为辅助转矩T_A(＝K_T·I_γsinθ_L)，经由减速机构7传递至转向机构2。从转向机构2的负载转矩T_L减去该辅助转矩T_A的值，是驾驶员应该施加于转向轮10的转向转矩T。通过对该转向转矩T进行反馈，系统以将该转向转矩T求导为指示转向转矩T^*的方式进行动作。即，求取会使检测转向转矩T与指示转向转矩T^*一致的相加角α，据此对控制角θ_C进行控制。

像这样在作为用于控制的虚拟轴的γ轴流动电流，另外，以根据指示转向转矩T^*与检测转向转矩T的偏差ΔT求得的相加角α更新控制角θ_C，由此，负载角θ_L变化，从电机3产生与该负载角θ_L对应的转矩。由此，能够从电机3产生与基于转向角和车速设定的指示转向转矩T^*对应的转矩，因此能够对转向机构2施加与转向角和车速对应的适当的转向辅助力。即，能够以转向角的绝对值越大则转向转矩越大，并且车速越快则转向转矩越小的方式实施转向辅助控制。

这样，能够实现适当控制电机3而不使用旋转角传感器，能够进行适当的转向辅助的电动动力转向装置。由此，能够使结构简单，达到成本的减少。

图6是说明加减法判断部27和加减系数乘法部25的动作的说明图，表示负载角θ_L与q轴电流I_q的关系。使用负载角θ_L以I_q＝I_γsinθ_L(θ_L＝θ_C-θ_M)而得到q轴电流I_q。由此，q轴电流I_q相对于负载角θ_L的变化，在0°≤θ_L＜90°、270°≤θ_L＜360°的区间单调增加，在90°≤θ_L＜270°的区间单调减少。

另一方面，PI控制部23以下述方式动作，如果指示转向转矩T^*与检测转向转矩T的偏差ΔT为正值，则生成正的相加角α，如果该偏差ΔT为负值则生成负的相加角α。

例如，如图6所示，与指示转向转矩T^*对应的目标负载角θ_L ^*(与指示转向转矩T^*对应的能够得到期望的q轴电流的负载角)为比90°稍大的值，现在的负载角θ_L1为比180°稍大的值，均属于单调减少区间(90°≤θ_L＜270°)。此时，在将现在的负载角θ_L1求导为目标负载角θ_L ^*时，相比于使负载角θ_L增加，使负载角θ_L减少能够更快地到达目标负载角θ_L ^*。即，相比于使相加角α为正值，使相加角α为负值能够使得到达期望的q轴电流的时间更短。

于是，加减法判断部27求取用于决定相加角α的符号的加减系数，使得能够更快到达目标负载角θ_L ^*，并将其设定于加减系数乘法部25。

具体地说，如图7所示，加减法判断部27从转矩偏差运算部22取得指示转向转矩T^*与检测转向转矩T的偏差(转矩偏差)ΔT(步骤S1)。进一步，加减法判断部27求取作为检测转向转矩T的时间微分值的转向转矩微分值T’(步骤S2)。然后，加减法判断部27使转矩偏差ΔT与转向转矩微分值T’相乘，观察其符号(步骤S3)。如果相乘值ΔT·T’为正值或零(步骤S3，是)，则维持现在的加减系数(步骤S4)。与此相对，如果相乘值ΔT·T’为负值(步骤S3，否)，则使加减系数相反(步骤S5)。即，将与现在的加减系数符号不同的加减系数设定于加减系数乘法部25。加减系数的初始值例如可以为正的加减系数“+1”。

在转矩偏差ΔT为正值时，如果检测转向转矩T为增加倾向(即转向转矩微分值T’为正)，则能够使检测转向转矩T接近指示转向转矩T^*。由此，如果相乘值ΔT·T’为正值，则维持现在设定于加减系数乘法部25的加减系数，由此能够将检测转向转矩T迅速地求导为指示转向转矩T^*。

另一方面，在转矩偏差ΔT为正值，检测转向转矩T为减少倾向(即，转向转矩微分值T’为负)时，相乘值ΔT·T’为负值。此时，检测转向转矩T的变化成为从指示转向转矩T^*离开的方向。于是，通过使现在设定于加减系数乘法部25的加减系数的符号相反，能够将检测转向转矩T迅速地求导为指示转向转矩T^*。

在转矩偏差ΔT为负值时，如果检测转向转矩T为减少倾向(即转向转矩微分值T’为负)，则能够使检测转向转矩T接近指示转向转矩T^*。由此，如果相乘值ΔT·T’为正值，则维持现在设定于加减系数乘法部25的加减系数，由此能够将检测转向转矩T迅速地求导为指示转向转矩T^*。

另一方面，在转矩偏差ΔT为负值，检测转向转矩T为增加倾向(即，转向转矩微分值T’为正)时，相乘值ΔT·T’为负值。此时，检测转向转矩T的变化成为从指示转向转矩T^*离开的方向。于是，通过使现在设定于加减系数乘法部25的加减系数的符号相反，能够将检测转向转矩T迅速地求导为指示转向转矩T^*。

这样可知，通过在相乘值ΔT·T’为正值的情况下维持现在的加减系数，在相乘值ΔT·T’为负值的情况下使现在的加减系数的符号相反，能够更迅速地将检测转向转矩T求导为指示转向转矩T^*。

图8是用于说明控制角θ_C的运算周期的图，表示负载角θ_L与q轴电流I_q的关系。为了极力地抑制微机11的运算负载，优选使运算周期尽可能地长。于是，在本实施方式中，基于最大转向角速度，决定运算周期。最大转向角速度是指作为转向轮10的转向角速度能够推测得到的最大值，例如为800deg/sec左右。

为最大转向角速度时的转子50的电角的变化速度(电角下的角速度，最大转子角速度)如下式(2)所述，由最大转向角速度、减速机构7的减速比、转子50的极对数的积来决定。极对数是指转子50所具有的磁极对(N极和S极)的对的个数。

最大转子角速度＝最大转向角速度×减速比×极对数……(2)

控制角θ_C的运算期间(运算周期)中的转子50的电角变化量的最大值(转子角变化量最大值)如下式(3)所述，为使运算周期乘以最大转子角速度而得的值。

转子角变化量最大值＝最大转子角速度×控制周期

＝最大转向角速度×减速比×极对数×控制周期……(3)

另一方面，负载角θ_L(＝θ_C-θ_M)的整个区域(0°≤θ_L＜360°)分为q轴电流I_q单调减少的单调减少区间A和q轴电流I_q单调增加的单调增加区间B。单调减少区间A为90°≤θ_L＜270°的区间。此外，单调增加区域B是0≤θ_L＜90°，270°≤θ_L＜360°的区间。为了适当地进行反馈控制，需要在同样的区间进行最低两次的连续控制。为了实现它的条件是，如下式(4)所述，上述转子角变化量最大值为90°以下。

转子角变化量最大值≤90°……(4)

将上述式(3)代入该式(4)并进行变形，则得到下式(5)。

(数学式1)

由此，通过将运算周期定为与式(5)的右边的值相等，能够适当地进行电机3的控制，并且能够使运算周期尽可能地长，减少微机11的运算负载。

图9是用于说明限制器24的动作的流程图。控制角θ_C的运算期间(运算周期)中的转子50的电角变化量的最大值(转子角变化量最大值)如上述式(3)所述，因此其为一个运算周期中所允许的控制角θ_C的最大变化量。于是，以ω_max(＞0)表示上述转子角变化量最大值，则相加角α的上限值UL和下限值LL分别能够以下式(6)、(7)表示。

UL＝+ω_max  ……(6)

LL＝-ω_max  ……(7)

限制器24将由PI控制部23求得的相加角α与上限值UL进行比较(步骤S11)，在相加角α超过上限值UL时(步骤S11，是)，将上限值UL代入相加角α(步骤S12)。由此，对控制角θ_C加以上限值UL(＝+ω_max)。

如果PI控制部23求得的相加角α为上限值UL以下(步骤S11，否)，则限制器24进而将该相加角α与下限值LL进行比较(步骤S13)。然后，如果该相加角α小于下限值(步骤S13，是)，则将下限值LL代入相加角α(步骤S14)。由此，对控制角θ_C加以下限值LL(＝-ω_max)。

如果由PI控制部23求得的相加角α为下限值LL以上、上限值UL以下(步骤S13，否)，则将该相加角α直接加于控制角θ_C。

这样，能够将相加角α限制于上限值UL与下限值LL之间，因此能够实现控制的稳定化。更具体地说，即使在电流小于时或控制开始时发生控制不稳定状态(辅助力不稳定的状态)，也能够从该状态迅速地过渡到稳定的控制状态。由此能够提高转向感。

图10是用于说明异常判定部30的处理的流程图。首先，从转矩偏差运算部22取得指示转向转矩T^*与检测转向转矩T的偏差即转矩偏差ΔT(＝T^*-T)，求取其绝对值|ΔT|(步骤S21)。

进一步，求取检测转向转矩T的绝对值|T|(步骤S22)，接着，比较转矩偏差绝对值|ΔT|和转矩偏差阈值(例如2Nm)的大小(步骤S23)。如果转矩偏差绝对值|ΔT|小于小于转矩偏差阈值(步骤S23，否)，则进一步比较检测转向转矩绝对值|T|和转矩阈值(例如6Nm)的大小(步骤S24)。如果检测转向转矩绝对值|T|小于转矩阈值(步骤S24，否)，则判断为没有发生异常。

另一方面，在转矩偏差绝对值|ΔT|为转矩偏差阈值以上(步骤S23，是)，或者检测转矩绝对值|T|为转矩阈值以上(步骤S24，是)时，判断为发生了异常。然后异常判定部30向指示电流值生成部31通知发生了异常的信息。

接收到该异常发生的通知，指示电流值生成部31将γ轴指示电流值I_γ ^*设定为预先决定的一定值(在该实施方式中为零)(步骤S25)。由此，以电机电流为零的方式进行控制，于是避免电机3成为负载，能够确保基于转向轮10的操作的转向(手动转向)。

这样，基于转向偏差绝对值|ΔT|和检测转向转矩绝对值|T|判定是否发生了异常，在发生了异常时，通过使γ轴指示电流I_γ ^*为零，能够成为手动转向状态。由此，能够添加在发生了异常时避免控制变得不稳定的失效保护功能。

图11是用于说明本发明的另一实施方式的电动动力转向装置的结构的框图。在该图11中，对与上述图1的各部分对应的部分添加与图1相同的标记。

在该实施方式中，具有相加角运算部40作为微机11的功能处理部，该相加角运算部40基于由转矩传感器1检测出的转向转矩T运算相加角α。相加角运算部40例如能够由预先确定相加角α相对于检测转向转矩T的特性的图表构成。

相加角α例如相对于规定的转矩非感应范围NTR(-A≤T≤A。A为常数，A＞0)的检测转向转矩T为零。在转矩非感应范围NTR之外，对于检测转向转矩T的正值，相加角α为正值。而且，相加角α以检测转向转矩T越大则越大的方式，被确定在规定的上限值UL以下的范围。此外，在转矩非感应范围NTR之外，对于转向转矩T的负值，相加角α为负值。而且，负的相加角α的绝对值以在转向转矩T的绝对值越大时越大的方式被确定。其中，相加角α被确定在规定的下限值LL以上的范围。

根据该结构，在每个运算周期中，对于控制角θ_C，运算根据转向转矩T决定的相加角α。结果，因为设定与转向转矩T对应的负载角θ_L，所以能够从电机3产生适当的转向辅助力，该转向辅助力经由减速机构7传递至转向机构2。在为电动动力转向装置的情况下，应该从电机3产生的转矩与转向转矩T对应，因此通过基于转向转矩T决定相加角α，能够从电机3产生期望的转矩。

图12是用于说明本发明的又一实施方式的电机控制装置的结构的框图。在该图12中，对与上述图1所示的各部的对应部分标注与图1相同的参照标记。

在该实施方式中，指示电流值生成部31A生成γ轴指示电流值I_γ ^*＝0，另一方面，基于由转矩传感器1检测出的转向转矩T和由车速传感器6检测出的车速，生成δ轴指示电流值I_δ ^*。该δ轴指示电流值I_δ ^*，与应该从电机3产生的辅助转矩相当。

δ轴指示电流值I_δ ^*，例如，如图13所示，在应该从电机3产生用于右方向转向的转向辅助力时为正值，在从电机3产生用于左方向转向的转向辅助力时为负值。

δ轴指示电流值I_δ ^*，在转向转矩T为正值(用于右方向转向的转矩)时取正值，在转向转矩T为负值(用于左方向转向的转矩)时取负值。在转向转矩T为-T1～T1(例如T1＝0.4N·m)的范围(转矩非感应带)的微小值时，δ轴指示电流值I_δ ^*为零。在转矩非感应带的范围之外，以转向转矩T的绝对值越大δ轴指示电流值I_δ ^*的绝对值越大的方式，将δ轴指示电流值I_δ ^*确定于规定的上限值和下限值的范围。此外，δ轴指示电流值I_δ ^*设定为，由车速传感器6检测出的车速越大，其绝对值越小。由此，在低速行驶时能够产生大的转向辅助力，在高速行驶时能够使转向辅助力变小。

微机11在该实施方式中，作为功能处理部，具有角度推定用电流生成部45、电流叠加部46、高通滤波器(HPF)47、低通滤波器(LPF)48和负载角推定部49。

角度推定用电流生成部45生成用于推定负载角θ_L的推定用电流值。该推定用电流值是具有来自转向机构2的负载转矩的最大频率以上的频率的高频电流值。推定用电流值在电流叠加部46中与δ轴指示电流值I_δ ^*叠加。叠加有该推定用电流值的δ轴指示电流值I_δ ^*被施加于电流偏差运算部32。

作为高频电流值的推定用电流值与δ轴指示电流值I_δ ^*叠加，由此产生高频转矩成分，其从电机3经由减速机构7传递至转向机构2。结果，转向传感器1将与推定用电流值对应的高频成分与转向转矩(驾驶者施加于转向轮10的转矩)一同检测出来。换言之，在转矩传感器1的输出信号上，除了转向转矩之外，还叠加有与推定用电流值对应的高频成分。该高频成分由高通滤波器47抽出，并供给至负载角推定部49。

另一方面，低通滤波器48除去该高频成分，抽出转向转矩成分，并供给至指示电流值生成部31。由此，指示电流值生成部31不会受到推定用电流值的影响，能够设定与检测转向转矩T对应的δ轴指示电流值I_δ ^*。

负载角推定部49基于与从高通滤波器47施加的推定用电流值对应的高频成分，和角度推定用电流生成部45生成的推定用电流值，推定负载角θ_L，来生成推定负载角θ_L^。

根据上述图2能够理解，δ轴电流I_δ对q轴的正投影为q轴电流I_q，在δ轴电流I_δ、q轴电流I_q、负载角θ_L之间，存在I_q＝I_δ·cosθ_L的关系。

对于推定用电流值也成立同样的关系。而且，因为q轴电流I_q与电机3产生的转矩对应，所以转矩传感器1能够检测出与将高频的推定用电流值投影到q轴(正投影)的成分相当的高频转矩成分。

负载角推定部49基于角度定用电流生成部45生成的推定用电流值(δ轴电流成分)和与该推定用电流值对应的高频转矩成分(与q轴电流成分相当)，推定负载角θ_L。另外，除了使用转向转矩的高频成分之外，也可以如图12中双点划线42所示，由高通滤波器47抽出UVW/γδ变换部36生成的δ轴检测电流I_δ的高频成分，将该δ轴电流高频成分用于推定负载角θ_L。

这样由负载角推定部49推定的推定负载角θ_L^在控制角运算部26中，与控制角θ_C的前次值θ_C(n-1)相加，求取控制角θ_C的此次值θ_C(n)＝θ_C(n-1)+θ_L^。即，在该实施方式中，推定负载角θ_L^成为相对于控制角θ_C的相加角。推定负载角θ_L^与控制角θ_C的前次值θ_C(n-1)和现在的转子角θ_M的偏差相当。

例如，当在前次控制周期n-1中θ_C(n-1)＝θ_M(n-1)成立时，从前次控制周期到此次控制周期的转子角θ_M的变化θ_M(n)-θ_M(n-1)(＝θ_M(n)-θ_C(n-1))作为推定负载角θ_L^被求出。由此，此次控制周期的转子角θ_M(n)＝θ_M(n-1)+θ_L^(＝θ_C(n-1)+θ_L^)。从而，通过在前次控制角θ_C(n-1)上加以推定负载角θ_L^，求取此次控制周期的控制角θ_C(n)＝θ_C(n-1)+θ_L，能够使控制角θ_C接近转子角θ_M，或者与转子角θ_M一致。

使用这样求得的控制角θ_C进行γδ/UVW变换部34和UVW/γδ变换部36的坐标变换运算。如前所述，控制角θ_C具有与实际的转子角θ_M接近的值(或者相等的值)，因此坐标变换运算正确地进行。由此，能够顺利地驱动电机3而不使用旋转角传感器，于是能够实现优异的转向感。

以上说明了本发明的三个实施方式，但是本发明也能够由其它的方式实施。例如，在上述实施方式中，说明了不具有旋转角传感器，专门由无传感器控制驱动电机3的结构，但也可以是具有解算器等旋转角传感器，在该旋转角传感器发生故障时如上所述进行无传感器控制的结构。由此，在旋转角传感器发生故障时也能够继续驱动电机3，从而能够继续进行转向辅助。

此时，在使用旋转角传感器时，在指示电流值生成部31、31A中，根据转向转矩和车速，依据规定的辅助特性产生δ轴指示电流值I_δ ^*即可(即，上述图12的实施方式时的指示电流值生成部31A的动作)。

在使用旋转角传感器的输出信号时，因为求取转子角θ_M，所以不需要导入控制角θ_C，不需要使用依据控制角θ_C的虚拟旋转坐标系。即，控制d轴电流和q轴电流即可。但是，如果具有依据γδ轴进行电流控制的γδ电流控制部和依据dq轴进行电流控制的dq电流控制部这两者，则在微机11中用于存储程序的存储器(ROM)的较多区域被使用。于是，优选通过共用角度变量，实现γδ电流控制部与dq电流控制部的共用化。具体地说，以将共用的电流控制部的角度变量，在旋转角传感器正常时作为dq坐标用角度使用，在旋转角传感器发生故障时作为γδ坐标用角度使用的方式进行切换即可。由此，能够抑制存储器的使用量，相应地能够减少存储器容量，能够实现成本降低。

此外，在上述第一实施方式中，采用具有加减法判断部27和加减系数乘法部25，通过适当选择相加角α的符号，将转向转矩T迅速地求导为指示转向转矩T^*的结构，但是即使省去该结构，虽然会产生一定的延迟，但是仍然能够使转向转矩T接近指示转向转矩T^*。

此外，上述第一实施方式中，在由异常判定部30判定为发生了异常时，使γ轴指示电流值I_γ ^*为零，但是作为代替的方法，也可以在驱动电路12与电机3之间的供电线插入继电器，在检测出异常的发生时，截断该继电器。

进一步，在上述实施方式中，说明了本发明应用于电动动力转向装置的例子，但是本发明也能够应用于用于电动泵式油压动力转向装置的电机的控制，在动力转向装置以外，也能够应用于线控转向(SBW)系统、可变齿轮比(VGR)转向系统等车辆用转向装置所具有的无刷电机的控制。当然，并不限于车辆用转向装置，在其它用途的电机控制中也能够应用本发明的电机控制装置。

以上详细说明了本发明的实施方式，但这些只是为了明确本发明的技术内容而使用的具体例子，本发明并不限定于这些具体例子，本发明的主旨和范围由权利要求所限定。

本申请与2008年6月30日向日本专利局提出的申请2008-171496号对应，在此引用该申请的全部公开内容。

Claims (8)

1.一种电机控制装置，用于控制电机，该电机具有转子和与该转子相对的定子，该电机控制装置的特征在于，包括：

电流驱动单元，其以依据作为用于控制的旋转角的控制角的旋转坐标系的轴电流值来驱动所述电机；

控制角运算单元，其在规定的每个运算周期中，通过在控制角的前次值上加以相加角而求取控制角的此次值；以及

相加角运算单元，其以与所述电机应该产生的转矩或者所述电机对所述轴电流值的响应对应的方式运算所述相加角。

2.如权利要求1所述的电机控制装置，其中，

还包括用于限制所述相加角的限制单元。

3.一种车辆用转向装置，其特征在于，包括：

电机，其向车辆的转向机构施加驱动力；

转矩检测单元，其检测施加于所述车辆的操作部件的转向转矩；以及

权利要求1或2所述的电机控制装置，其用于控制所述电机，

其中，所述相加角运算单元根据所述转矩检测单元检测出的转向转矩运算所述相加角。

4.如权利要求3所述的车辆用转向装置，其中，

还包括设定指示转向转矩的指示转向转矩设定单元，

所述相加角运算单元根据由所述指示转向转矩设定单元设定的指示转向转矩与由所述转矩检测单元检测出的转向转矩的偏差来运算所述相加角。

5.如权利要求4所述的车辆用转向装置，其中，

还包括检测所述操作部件的转向角的转向角检测单元，

所述指示转向转矩设定单元根据所述转向角检测单元检测出的转向角来设定指示转向转矩。

6.如权利要求4或5所述的车辆用转向装置，其中，

所述指示转向转矩设定单元根据由检测所述车辆的速度的车速检测单元检测出的该车速，设定指示转向转矩。

7.如权利要求4～6中任一项所述的车辆用转向装置，其中，

还包括异常判定单元，其在由所述指示转向转矩设定单元设定的指示转向转矩与由所述转矩检测单元检测出的转向转矩的偏差的绝对值为规定的偏差阈值以上，或者由所述转矩检测单元检测出的转向转矩的绝对值为规定的转矩阈值以上时，判定为发生了异常。

8.如权利要求1所述的电机控制装置，其中，

所述电流驱动单元生成包含角度推定用电流值的轴电流值，

所述相加角运算单元包括负载角运算单元，其基于与所述角度推定用电流值对应的所述电机的响应，将作为所述控制角与所述转子的旋转角的差的负载角作为所述相加角运算出来。

Images