JP2013034281A - 多相回転機の制御装置、及びこれを用いた電動パワーステアリング装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 3相モータ(多相回転機)の制御装置であるマイコンは、モータに取り付けられた回転角センサの取り付け位置ずれ等による角度誤差Δθを算出する処理を実行する。まず、d軸およびq軸電流指令値を0アンペアに設定する(S00)。次に、モータの回転軸を外部から回転させ(S10)、逆起電圧によって流れる相電流を検出し(S30)、3相2相変換する(S40)。制御器は、電流検出値が0アンペアになるように電圧指令値Vq、Vdを出力する(S50)。角度誤差算出手段は、電圧指令値Vq、Vdに基づいて角度誤差Δθを算出し(S70)、角度補正値として記憶する(S90)。以後、回転角センサの検出値から補正値を差し引いて補正する。
【選択図】図6
Description
しかし、例えば車両用の電動パワーステアリング装置に用いられるモータの場合には、「モータ本体」と、「モータの回転角等に基づいてモータ本体の駆動を制御する制御装置(ECU)」とが取り外し可能に設けられる構成が想定され得る。ここで、例えば、モータ本体側に設けられた磁石と、制御装置側に設けられた磁気検出素子とにより回転角センサが構成される。このような構成では、モータ本体を車両に取り付けた状態のまま制御装置のみを交換すると、交換取り付け時の制御装置とモータとの位置ずれが生ずるため、あらためて補正値を算出することが必要になる。
この制御装置は、「多相回転機の回転軸の回転角を検出する回転角センサが検出した回転角検出値」、及び「駆動電流を相毎に検出する電流検出手段が検出した多相電流検出値」がフィードバックされ、電力変換装置に出力する電圧指令値を制御する。
ここで、電圧指令値は、多相回転機の回転軸を当該多相回転機の外部から回転させたときに駆動電流が0となるように演算される。また、電圧指令値に基づいて、回転角センサが検出した回転角検出値と多相回転機の回転軸の現実の回転角値との差分である「角度誤差」を算出する。そして、回転角センサが検出した回転角検出値に対し、当該角度誤差に相当する角度を補正する。
角度誤差Δθは、回転角センサが検出した回転角検出値θmと多相回転機の回転軸の現実の回転角θとの差分であり、次式1により示される。
Δθ=θm−θ ・・・(式1)
例えば、多相回転機が、車両の電動パワーステアリング装置にて運転者の操舵をアシストするモータである場合、モータを車両に取り付けた状態のまま角度誤差を算出することができる。したがって、特に、モータ本体から制御装置のみを分離して交換可能な構成では、再取り付け後の取り付け位置ずれ等による角度誤差の検出に有用である。
請求項2に記載の多相回転機の制御装置は、電流変換手段、電流指令値演算手段、制御演算手段、角度誤差算出手段、角度補正値記憶手段を備える。
電流指令値演算手段は、角度誤差を算出するとき、d軸方向およびq軸方向について、0アンペアの電流指令値を指令する
制御演算手段は、d軸方向およびq軸方向について、電流検出値を電流指令値である0アンペアに一致させるように電圧指令値を演算する。
角度誤差算出手段は、制御演算手段が演算したd軸方向およびq軸方向についての電圧指令値に基づいて角度誤差を算出する。
角度補正値記憶手段は、角度誤差算出手段が算出した角度誤差を角度補正値として記憶する。
Δθ=ATAN(Vd/Vq)・・・(式2)
互いに直交することにより、d軸ベクトルである電圧指令値Vdとq軸ベクトルである電圧指令値Vqとが成す角度Δθは、式2で表される。
一方、d軸方向の電流検出値が電流指令値である0アンペアに一致しない場合、電圧指令値Vdは0以外の値となる。その結果、角度誤差Δθは、電圧指令値VdとVqとの値に基づき式2で算出される「0以外の値」となる。よって、角度誤差Δθを角度補正値として回転角センサの回転角検出値を補正すればよい。
このように、互いに直交するベクトル値を利用することにより、簡単な演算で角度誤差Δθを算出することができ、制御装置の演算負荷を低減することができる。
このような状況では、上述の構成によって角度誤差を正確に算出することができない。すなわち、本発明による角度誤差の算出処理において、多相回転機の回転軸が負荷に接続されていること自体は許容されるものの、回転軸は、比較的軽い負荷で回転可能でなければならない。
仮に不正確な角度誤差を算出すると、その値が以後、角度補正値として常に使用されるため、運転者がハンドル操作とアシストトルクとの関係に違和感を覚えるおそれがある。
これにより、不適切な状況で得られた回転数検出値に基づいて誤った角度誤差が算出されることが防止される。その結果、以後、誤った角度補正値により誤った角度補正がされることを防止することができる。
このような複数系統の回路では多相電流検出値が系統毎に検出される一方、一つの回転角センサが検出する回転角検出値は一つであるので、角度誤差を算出する処理において、複数系統の検出値を一括して取り扱う演算が求められる。
これにより、複数系統間の角度誤差のばらつきに対し、最適な角度補正値を設定することができる。
系統毎の角度誤差の最大値と最小値との差が、通常想定されるばらつきの範囲を超えている場合には異常が推定される。そこで、回転角検出値が異常であると判断することにより、誤った角度誤差を算出し、以後、誤った角度補正値により誤った角度補正がされることを防止することができる。
回転角検出値が異常となる原因には、回転軸の回転操作時のノイズや、巻線等の物理的故障等が考えられる。操作時のノイズ等の場合には、使用者に知らせて操作をし直すことで、正常な回転角検出値が得られる可能性がある。また、物理的故障の場合には、多相回転機そのものを修理または交換する必要性が予想される。
いずれにしても、使用者に異常を早期に知らせることで迅速な対応が可能となる。
これにより、複数系統の電圧指令値の和を全体の電圧指令値として扱うため、角度誤差算出手段の演算負荷を低減することができる。
これにより、複数系統の電流検出値の和を全体の電流検出値として扱うため、制御演算手段の演算負荷を低減することができる。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による多相回転機の制御装置について、図1〜図6を参照して説明する。
アクチュエータ2は、操舵アシストトルクを発生する「多相回転機」としてのモータ801と、モータ801を駆動するECU5とから構成される。本実施形態のモータ801は3相ブラシレスモータであり、減速ギア89を正逆回転させる。また、モータ801とECU5とは分離可能に設けられている。
この構成により、電動パワーステアリング装置1のアクチュエータ2は、ハンドル91の操舵を補助するための操舵アシストトルクを発生し、ステアリングシャフト92に伝達する。
インバータ60は、3相ブリッジ回路のバッテリ57側に設けられる電源リレー用のスイッチング素子67、3相ブリッジ回路の上下アームを構成する6個のスイッチング素子611、612、621、622、631、632、スイッチング素子にゲートオンオフ信号を出力するプリドライバ68、及び、ブリッジ回路の各上下アームと並列に接続されノイズを平滑化する電界コンデンサ69から構成される。
上アームを構成する高電位側スイッチング素子611、621、631と下アームを構成する低電位側スイッチング素子612、622、632との接続点は、それぞれ、U、V、W相の巻線に接続されており、接続点の電圧がモータ801の端子電圧となる。
マイコン101は、電流指令値演算手段151、3相2相変換手段251、制御器301、2相3相変換手段351を含む。
なお、相電流検出値を変換する電流軸は、このように「磁束の向きに平行な方向、及びそれに直交する方向」に限らず、互いに直交するベクトルであればよい。
2相3相変換手段351は、回転角センサ85からフィードバックされた回転角θに基づき、2相の電圧指令値Vq、VdをU相、V相、W相の3相電圧指令値Vu、Vv、Vwに変換してインバータ60に出力する。
通常の操舵アシスト時には、インバータ60が3相電圧指令値Vu、Vv、Vwに従ってモータ80に相電流Iu、Iv、Iwを供給することにより、電流検出値Iq、Idは、電流指令値Iq*、Id*に追従しようとする。
回転角センサ85の回転角検出値θmと回転軸81の現実の回転角θとの差分は、次式1のように角度誤差Δθとして表される。
Δθ=θm−θ ・・・(式1)
取り付け位置ずれ等による角度誤差Δθは、アクチュエータ2におけるマイコン101の制御精度を低下させることとなる。
図1に示すように、3相巻線を有するモータ801は、インバータ60から電力を供給される。電流検出器70は、巻線に供給される相電流Iu、Iv、Iwを検出する。これらの相電流検出値は、回転角θと共に3相2相変換手段251にフィードバックされ、3相2相変換手段251にてq軸電流検出値Iqおよびd軸電流検出値Idに変換される。
一方、電流指令値演算手段151は、通常の操舵アシスト時のように操舵トルク信号や車速信号の入力を必要とせず、0アンペア固定の電流指令値Iq*、Id*を指令する。
仮に回転角センサ85の取り付け位置ずれが無く、角度誤差Δθが0の場合、d軸電流検出値Idは0となる。しかし、回転角センサ85の取り付け位置ずれが有る場合は、角度誤差Δθおよびd軸電流検出値Idは0以外の値を取る。
なお、この3相電圧指令値Vu、Vv、Vwは、角度誤差Δθ分の逆起電圧をキャンセルするように作用する。
Δθ=ATAN(Vd/Vq)・・・(式2)
図5(c)、(d)はΔθ=0、Δθ=0のときを示し、回転角検出値θmと現実の回転角θとが一致していることを意味する。また、図5(a)、(b)は、Vd>0、Δθ>0のときを示し、図5(e)、(f)はVd<0、Δθ<0のときを示す。Δθ≠0の場合、回転角検出値θmの補正が必要となる。
以後、マイコン101は、角度誤差Δθを角度補正値として使用する。すなわち、「回転角センサ85の回転角検出値θmから角度補正値Δθを差し引いた値」を補正後の回転角θとして制御を実行する。具体的には、3相2相変換手段251および2相3相変換手段351に対して、補正後の回転角θが入力される(図1参照)。
S10では、モータ801の回転軸81を外部から回転させる。具体的には、ハンドル91を回し、ステアリングシャフトを回転させる(図2参照)。このとき、車両の車輪98が接地していると摩擦抵抗により回転軸に回転負荷がかかることになる。そこで、車両をジャッキアップするか、摩擦係数の少ない路面(例えば氷面)上でハンドル91の回転操作を実施することが望ましい。
S20でNOの場合、必要であれば車両の接地状態を変更した後、S10の処理を再実行する。S20でYESの場合、次のステップに移行する。
S40では、3相2相変換を実施する。
S50では、制御器301は電圧指令値Vq、Vdを出力する。
S60では、角度誤差算出手段401は、電圧指令値Vq、Vdを入力する。
S70では、角度誤差算出手段401は、角度誤差Δθを算出する。
S90では、Δθを角度補正値として不揮発性メモリ45に保存する。
このとき、モータ801の回転数が所定の範囲内にあるときに限り、角度誤差Δθの算出処理を実行する。すなわち、回転数が所定範囲の下限未満の場合、回転負荷のため回転軸81を適切に回転させることができなかったと判断し、処理を実行しない。また、回転数が所定範囲の上限を超える場合、回転角センサ85の検出能力が追従することができないと判断し、処理を実行しない。
これにより、誤った角度誤差Δθ値を算出することを未然に防止することができる。
本発明の第2実施形態の制御装置について、図7、8を参照して説明する。
図7に示すように、第2実施形態では、2組の3相巻線を有するモータ802は、2系統のインバータ601、602から電力を供給される。電流検出器701は、第1系統の巻線に供給される相電流Iu1、Iv1、Iw1を検出し、電流検出器702は、第2系統の巻線に供給される相電流Iu2、Iv2、Iw2を検出する。これらの相電流は、マイコン102(「制御装置」)の3相2相変換手段252にて系統毎にq軸電流検出値Iq1、Iq2およびd軸電流検出値Id1、Id2に変換される。
一方、電流指令値演算手段152は、0アンペア固定の電流指令値Iq1*、Id1*、Iq2*、Id2*を指令する。
仮に回転角センサ85の取り付け位置ずれが無く、角度誤差Δθが0の場合、d軸電流検出値Id1、Id2は0となる。しかし、回転角センサ85の取り付け位置ずれが有る場合には、角度誤差Δθおよびd軸電流検出値Id1、Id2は0以外の値を取る。
なお、この3相電圧指令値Vu1、Vv1、Vw1、Vu2、Vv2、Vw2は、角度誤差Δθ分の逆起電圧をキャンセルするように作用する。
Δθ1=ATAN(Vd1/Vq1)・・・(式2a)
Δθ2=ATAN(Vd2/Vq2)・・・(式2b)
その後、フローチャートの説明で後述する異常判断を経て、正常の場合は、次式3により、Δθ1とΔθ2との平均値を算出して、不揮発性メモリ45に保存する。
Δθ=(Δθ1+Δθ2)/2・・・(式3)
以後、マイコン102は、角度誤差Δθを角度補正値として使用する。
以下のフローチャートでは、前出のステップと実質的に同一のステップには同一のステップ記号を付す。また、系統数を1系統から2系統に変更すること等によって一部変更された対応するステップについては、ステップ記号の末尾の数字のみを変更して示す。
S10、S20、S30については第1実施形態と同様である(図6参照)。
S41〜S71は、第1実施形態のS40〜S70に対し、系統数を1系統から2系統に変更したことにより、各ステップでの処理対象が2倍になっている。
S41では、系統毎に3相2相変換を実施する。
S51では、制御器302は電圧指令値Vq1、Vd1、Vq2、Vd2を出力する。
S61では、角度誤差算出手段402は、電圧指令値Vq1、Vd1、Vq2、Vd2を入力する。
S71では、角度誤差算出手段402は、第1系統、第2系統について、それぞれ角度誤差Δθ1、Δθ2を算出する。
S81では、角度誤差の最大値Δθmaxから最小値Δθminを差し引いた値が所定値K未満であるか否かを判断する。2系統の場合は、単純にΔθ1とΔθ2とのうち大きい方の値が最大値Δθmaxとなり、小さい方の値が最小値Δθminとなる。
なお、3系統以上の複数系統に係る他の実施形態では、最大値Δθmaxと最小値Δθminとを特定した上で、それらの差分を算出することとなる。
ここで、「S81でNOの場合」とは、系統毎に検出した角度誤差Δθのうち最大値Δθmaxと最小値Δθminとが所定値K以上にばらついている場合である。この原因には、いずれかの系統のインバータまたは巻線が故障したことや、インバータや巻線は正常であるが検出時のノイズ等により正確な検出ができなかったこと等が考えられる。ノイズ等による検出不良の場合は、S01に戻り再度処理を実行すれば、次には正確な角度誤差Δθが得られる可能性がある。一方、インバータまたは巻線が故障した場合には部品の修理、交換が必要となる可能性がある。
なお、3系統以上の複数系統に係る他の実施形態では、各系統の角度誤差の平均値を角度誤差Δθとして算出する。
さらに、回転角センサ85が検出した回転角検出値が異常であると判断したことを使用者に知らせる。これにより、迅速な対応が可能となる。
本発明の第3実施形態の制御装置について、図9、10を参照して説明する。
図9に示すように、第3実施形態では、2組の3相巻線を有するモータ802は、2系統のインバータ601、602から電力を供給される。電流検出器701は、第1系統の巻線に供給される相電流Iu1、Iv1、Iw1を検出し、電流検出器702は、第2系統の巻線に供給される相電流Iu2、Iv2、Iw2を検出する。これらの相電流は、マイコン103(「制御装置」)の3相2相変換手段252にて系統毎にq軸電流検出値Iq1、Iq2およびd軸電流検出値Id1、Id2に変換される。
一方、電流指令値演算手段152は、0アンペア固定の電流指令値Iq1*、Id1*、Iq2*、Id2*を指令する。
仮に回転角センサ85の取り付け位置ずれが無く、角度誤差Δθが0の場合、d軸電流検出値Id1、Id2は0となる。しかし、回転角センサ85の取り付け位置ずれが有る場合には、角度誤差Δθおよびd軸電流検出値Id1、Id2は0以外の値を取る。
なお、この3相電圧指令値Vu1、Vv1、Vw1、Vu2、Vv2、Vw2は、角度誤差Δθ分の逆起電圧をキャンセルするように作用する。
Δθ=ATAN(Vd/Vq)・・・(式2)
そして、角度誤差Δθを不揮発性メモリ45に保存する。
以後、マイコン101は、角度誤差Δθを角度補正値として使用する。
S01は、第2実施形態と同様である(図8参照)。
S10、S20、S30については第1実施形態と同様である(図6参照)。
S41では、系統毎に3相2相変換を実施する。
S52では、制御器303は、電圧指令値Vq1、Vd1、Vq2、Vd2を演算し、Vq=Vq1+Vq2、Vd=Vd1+Vd2 をそれぞれ加算して出力する。
S60、S70、S90については第1実施形態と同様である(図6参照)。
本発明の第4実施形態の制御装置について、図11、12を参照して説明する。
図11に示すように、第4実施形態では、2組の3相巻線を有するモータ802は、2系統のインバータ601、602から電力を供給される。電流検出器701は、第1系統の巻線に供給される相電流Iu1、Iv1、Iw1を検出し、電流検出器702は、第2系統の巻線に供給される相電流Iu2、Iv2、Iw2を検出する。これらの相電流は、マイコン104(「制御装置」)の3相2相変換手段252にて系統毎にq軸電流検出値Iq1、Iq2およびd軸電流検出値Id1、Id2に変換された後、q軸電流検出値の和Iq(=Iq1+Iq2)およびd軸電流検出値の和Id(=Id1+Id2)がそれぞれ加算される。
一方、電流指令値演算手段151は、0アンペア固定の電流指令値Iq*、Id*を指令する。
仮に回転角センサ85の取り付け位置ずれが無く、角度誤差Δθが0の場合、d軸電流検出値の和Id(=Id1+Id2)は0となる。しかし、回転角センサ85の取り付け位置ずれが有る場合には、角度誤差Δθおよびd軸電流検出値の和Id(=Id1+Id2)は0以外の値を取る。
なお、この3相電圧指令値Vu1、Vv1、Vw1、Vu2、Vv2、Vw2は、角度誤差Δθ分の逆起電圧をキャンセルするように作用する。
Δθ=ATAN(Vd/Vq)・・・(式2)
そして、角度誤差Δθを不揮発性メモリ45に保存する。
以後、マイコン101は、角度誤差Δθを角度補正値として使用する。
S00、S10、S20、S30については第1実施形態と同様である(図6参照)。
S42では、系統毎に3相2相変換を実施する。さらに、電流指令値Iq=Iq1+Iq2、Id=Id1+Id2 をそれぞれ加算する。
S50、S60、S70、S90については第1実施形態と同様である(図6参照)。
(ア)電力変換装置としてのインバータの構成、例えばスイッチング素子、電源リレー、電界コンデンサの仕様等は、図3に例示したものに限らない。
(イ)インバータ60等が実装されるパワー基板等は、マイコン101等が実装される制御基板と一体に設けられてもよく、分離可能に設けられてもよい。すなわち、制御装置としてのマイコン101等をモータ801等から取り外したとき、インバータ60等を含むパワー基板は、マイコン101側にあってもよく、モータ801側にあってもよい。
(エ)上記第2〜第4実施形態では複数系統の例として2系統の場合を説明したが、3系統以上の場合にも同様に適用することができる。
2 ・・・アクチュエータ
5 ・・・ECU、
101、102、103、104・・・マイコン(制御装置)、
151、152 ・・・電流指令値演算手段、
251、252 ・・・3相2相変換(電流変換手段)、
301、302 ・・・制御器(制御演算手段)、
351、352 ・・・2相3相変換手段、
401、402 ・・・角度誤差算出手段、
45 ・・・不揮発性メモリ(角度補正値記憶手段)、
601、602 ・・・インバータ(電力変換装置)、
611〜632 ・・・スイッチング素子、
701、702 ・・・電流検出器(電流検出手段)、
801、802 ・・・モータ(多相回転機)、
81 ・・・回転軸、
85 ・・・回転角センサ、
88 ・・・負荷、
Iq* ・・・q軸電流指令値、
Id* ・・・d軸電流指令値、
Iq ・・・q軸電流検出値、
Id ・・・d軸電流検出値、
Vq ・・・q軸電圧指令値、
Vd ・・・d軸電圧指令値、
θ ・・・(回転軸の)現実の回転角、
θm ・・・(回転角センサによる)回転角検出値、
Δθ ・・・角度誤差、角度補正値。
Claims (9)
- 多相回転機を構成する巻線組に駆動電流を供給する電力変換装置の制御に用いられ、前記多相回転機の回転軸の回転角を検出する回転角センサが検出した回転角検出値、及び前記駆動電流を相毎に検出する電流検出手段が検出した多相電流検出値がフィードバックされ、前記電力変換装置に出力する電圧指令値を制御する多相回転機の制御装置であって、
前記電圧指令値は、前記多相回転機の回転軸を当該多相回転機の外部から回転させたときに前記駆動電流が0となるように演算され、
前記電圧指令値に基づいて、前記回転角センサが検出した回転角検出値と前記多相回転機の回転軸の現実の回転角値との差分である角度誤差を算出し、
前記回転角センサが検出した回転角検出値に対し、当該角度誤差に相当する角度を補正することを特徴とする多相回転機の制御装置。 - 前記電流検出手段が検出した相毎の多相電流検出値を、互いに直交するd軸方向およびq軸方向の電流検出値に変換する電流変換手段と、
前記角度誤差を算出するとき、d軸方向およびq軸方向について、0アンペアの電流指令値を指令する電流指令値演算手段と、
d軸方向およびq軸方向について、前記電流検出値を前記電流指令値である0アンペアに一致させるように前記電圧指令値を演算する制御演算手段と、
前記制御演算手段が演算したd軸方向およびq軸方向についての前記電圧指令値に基づいて前記角度誤差を算出する角度誤差算出手段と、
前記角度誤差算出手段が算出した前記角度誤差を角度補正値として記憶する角度補正値記憶手段と、
を備え、
前記多相回転機の回転軸を当該多相回転機の外部から回転させたときに前記制御演算手段が演算するd軸方向およびq軸方向の前記電圧指令値をVdおよびVqとし、前記角度誤差をΔθとすると、前記角度誤差算出手段は、次式
Δθ=ATAN(Vd/Vq)
により、前記角度誤差を算出することを特徴とする請求項1に記載の多相回転機の制御装置。 - 前記多相回転機の回転軸を当該多相回転機の外部から回転させたとき、
前記多相回転機の回転数が所定の範囲内にあるときに限り、前記角度誤差を算出することを特徴とする請求項1または2に記載の多相回転機の制御装置。 - 多相回転機を構成する複数組の前記巻線組に対応して設けられる複数系統の前記電力変換装置の制御に用いられ、
前記角度補正値記憶手段は、
前記角度誤差算出手段が複数系統の前記電力変換装置について算出した系統毎の前記角度誤差の平均値を前記角度補正値として記憶することを特徴とする請求項2または3に記載の制御装置。 - 前記角度誤差算出手段が複数系統の前記電力変換装置について算出した系統毎の前記角度誤差の最大値と最小値との差が所定値以上である場合、前記回転角センサが検出した回転角検出値が異常であると判断することを特徴とする請求項4に記載の多相回転機の制御装置。
- 前記回転角センサが検出した回転角検出値が異常であると判断したことを使用者に知らせることを特徴とする請求項5に記載の多相回転機の制御装置。
- 多相回転機を構成する複数組の前記巻線組に対応して設けられる複数系統の前記電力変換装置の制御に用いられ、
前記角度誤差算出手段は、
前記制御演算手段が複数系統の前記電力変換装置について演算した系統毎の前記電圧指令値の和に基づいて前記角度誤差を算出することを特徴とする請求項2または3に記載の多相回転機の制御装置。 - 多相回転機を構成する複数組の前記巻線組に対応して設けられる複数系統の前記電力変換装置の制御に用いられ、
前記制御演算手段は、
前記電流変換手段が複数系統の前記電力変換装置について変換した系統毎の前記電流検出値の和を前記電流指令値である0アンペアに一致させるように演算することを特徴とする請求項2または3に記載の多相回転機の制御装置。 - 運転者の操舵を補助するためのアシストトルクを発生する多相回転機と、
前記多相回転機の巻線に駆動電流を供給する電力変換装置と、
前記多相回転機の回転軸の回転角を検出する回転角センサと、
前記電力変換装置から供給される駆動電流を検出する電流検出手段と、
請求項1〜8のいずれか一項に記載の多相回転機の制御装置と、
前記多相回転機の回転をステアリングシャフトに伝達する動力伝達手段と、
を備えた電動パワーステアリング装置。
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