(57)【要約】【課題】電動機と制御器とでインダクタンス誤差があっても一定の制御応答を達成する。【解決手段】目標応答フィルタ２１は、電流指令演算器１１からの電流指令値から目標応答電流値を計算する。目標応答補償器２２は、目標応答電流値と電流検出器３の電流検出値の差分を、電流値に関連付けられた目標応答ゲインにより増幅して補償電流値として出力する。電流制御器２３は、補償電流値と、電流指令値と電流検出値との偏差との和に基づいて電動機への電圧指令値を計算する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機の電流指令を演算し電流指令値として出力する電流指令演算器と、
前記電動機の電流を検出し電流検出値として出力する電流検出器と、
前記電流指令値に対して目標の応答速度で応答する目標応答電流を計算して目標応答電流値として出力する目標応答フィルタと、
前記目標応答電流値と前記電流検出値の差分に目標応答ゲインを乗じることで補償電流を計算して補償電流値として出力する目標応答補償部と、
前記補償電流値と、前記電流指令値と前記電流検出値との偏差と、の和に基づいて前記電動機への電圧指令を計算し、前記電動機を駆動制御する電力変換器のための電圧指令値として出力する電流制御部と、
を備え、
前記目標応答補償部は、前記電流検出値に応じて可変となる前記目標応答ゲインにより前記補償電流値を計算する、電動機の制御装置。
【請求項２】
前記目標応答フィルタは、前記電流制御部と前記電動機とにパラメータ誤差がないときに構成される閉ループ伝達特性により前記目標応答電流値を計算する、請求項１に記載の電動機の制御装置。
【請求項３】
前記目標応答補償部は、予め求められた前記電流検出値と前記電動機のインダクタンス値の関係を示す前記電動機のインダクタンスの関数モデルにより求めたインダクタンス値を用いて前記目標応答ゲインを計算する、請求項１または２に記載の電動機の制御装置。
【請求項４】
前記インダクタンスの関数モデルは、前記電流検出値の関数式である、請求項３に記載の電動機の制御装置。
【請求項５】
前記インダクタンスの関数モデルは、予め求められた前記電流検出値と前記電動機のインダクタンス値の関係を示すテーブルデータである、請求項３に記載の電動機の制御装置。
【請求項６】
前記目標応答ゲインが、前記制御装置の開ループ伝達特性における伝達特性部分を所望の制御帯域で０に近づける値である、請求項１から５までのいずれか１項に記載の電動機の制御装置。
【請求項７】
前記目標応答ゲインが、前記電動機のインダクタンス値と前記電流制御部で設定されるインダクタンス値の比の関数であり、インダクタンス値の前記比が前記電流検出値の関数である、請求項１から６までのいずれか１項に記載の電動機の制御装置。
【請求項８】
ハンドルおよび操舵輪を含むステアリング系と、
前記ステアリング系のトルクを検出するトルク検出器と、
前記ステアリング系へアシストトルクを発生する電動機と、
前記電動機を制御する請求項１から７までのいずれか１項に記載の電動機の制御装置と、
を備え、
前記制御装置の電流指令演算器が、前記トルク検出器からの検出トルクを入力して電流指令値に変換する、電動パワーステアリング装置。
【請求項９】
電動機の電流指令を演算し電流指令値として出力する工程と、
電流検出器により前記電動機の電流を検出し電流検出値として出力する工程と、
前記電流指令値に対して目標の応答速度で応答する目標応答電流を計算して目標応答電流値として出力する工程と、
前記目標応答電流値と前記電流検出値の差分に目標応答ゲインを乗じることで補償電流を計算して補償電流値として出力する工程と、
前記補償電流値と、前記電流指令値と前記電流検出値との偏差と、の和に基づいて前記電動機への電圧指令を計算し、前記電動機を駆動制御する電力変換器のための電圧指令値として出力する工程と、
を備え、
前記補償電流値を、前記電流検出値に応じて可変となる前記目標応答ゲインにより計算する、電動機の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は電動機の制御装置、特に、電動機のインダクタンスが変化する場合においても一定の制御性能を実現できる制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電動機の電流制御では、電動機をコンピュータを用いた非線形有限要素解析などで解析し、各電流値における各巻線の鎖交磁束数を求めてテーブルデータとして記憶し、このテーブルデータの情報を使用して電動機の電流制御を行い、電動機の制御パラメータの適正化を電動機の制御中にオンラインで実施することで高精密な電動機の制御を実現している(例えば下記特許文献１)。
【０００３】
また、従来の電流制御では、電動機のインダクタンスをインダクタンス同定値またはインダクタンス設定誤差比として同定し、得られた同定値に応じで電流制御部の制御ゲインを調整することで、安定した電流制御を行っている(例えば下記特許文献２)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平２００８−１４１８３５号公報
【特許文献２】特開平２００３−３３９１８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の発明では、コンピュータ解析により求めたインダクタンス値を用いて制御パラメータを調整し安定した電流制御を行ったり、インダクタンスを同定して制御ゲインを調整したりしているが、解析や同定においてモデル化誤差、解析誤差、同定誤差などがあるときには制御パラメータや制御ゲインを正しく調整できずに制御性能が劣化してしまうことが考えられる。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、インダクタンスが変動する電動機の電流制御において、電動機の運転中にインダクタンスが変化し、制御におけるインダクタンス設定値と実際の電動機のインダクタンス値に誤差が発生した場合でも、電流制御の応答が変化することなく、安定した電流制御を実施できる電動機の制御装置および制御方法、さらに電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明は、電動機の電流指令を演算し電流指令値として出力する電流指令演算器と、前記電動機の電流を検出し電流検出値として出力する電流検出器と、前記電流指令値に対して目標の応答速度で応答する目標応答電流を計算して目標応答電流値として出力する目標応答フィルタと、前記目標応答電流値と前記電流検出値の差分に目標応答ゲインを乗じることで補償電流を計算して補償電流値として出力する目標応答補償部と、前記補償電流値と、前記電流指令値と前記電流検出値との偏差と、の和に基づいて前記電動機への電圧指令を計算し、前記電動機を駆動制御する電力変換器のための電圧指令値として出力する電流制御部と、を備え、前記目標応答補償部は、前記電流検出値に応じて可変となる前記目標応答ゲインにより前記補償電流値を計算する、電動機の制御装置等にある。
【発明の効果】
【０００８】
この発明では、電動機の運転中にインダクタンスが変化し、制御におけるインダクタンス設定値と実際の電動機のインダクタンス値に誤差が発生した場合でも、電流制御の応答が変化することなく、安定した電流制御を実施できる電動機の制御装置および制御方法、さらに電動パワーステアリング装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明による電動機の制御装置の全体構成の一例を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る図１のｄ軸電流制御器およびｑ軸電流制御器で共通の内部構成の一例を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る図２の内部構成に電動機モデルを適用した図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係る図３の軸電流制御器をモデル化した図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係る図１のｄ軸電流制御器およびｑ軸電流制御器で共通の電流制御の開ループ特性のゲインを示す図である。
【図６】図５の各インダクタンス誤差におけるこの発明を適用しない場合のステップ状の指令電流値に対する電流応答の変化を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態１に係る電動機の制御装置におけるインダクタンスの関数モデルの一例を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態２に係る電動機の制御装置におけるインダクタンス値のテーブルデータの一例を示す図である。
【図９】この発明の実施の形態１に係るこの発明を適用した場合の図６と同じ各インダクタンス誤差におけるステップ状の指令電流値に対する電流応答を示す図である。
【図１０】この発明の実施の形態１に係る図４のモデル化した軸電流制御器に電圧外乱を追加した図である。
【図１１】図１０のモデル化した軸電流制御器における電圧外乱から電流検出値までのゲイン線図である。
【図１２】この発明の実施の形態３による電動パワーステアリング装置の構成の一例を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、この発明による電動機の制御装置および制御方法、電動パワーステアリング装置を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。
【００１１】
実施の形態１．
図１はこの発明による電動機の制御装置の全体構成の一例を示す図である。図１において、電流制御部１は、電流検出器３により検出された電動機４の電流ｉｕ、ｉｖと、回転角検出器５により検出された電動機４の回転角θを入力して電圧指令値を計算し、電力変換器２に電圧指令値ｖ＊ｕ，ｖ＊ｖ，ｖ＊ｗを出力することで、電動機４の電流を制御するものである。
【００１２】
電力変換器２は、電流制御部１からの電圧指令に基づいて、電源(図示省略)からの電力を、所望の可変電圧可変周波数の電力に変換する。この発明の電力変換器２は、一般的に販売されているインバータ装置のように、コンバータによって交流電力を直流電力に変換した後に、インバータによって直流電力を交流電力に変換する、コンバータとインバータからなる電力変換器や、マトリクスコンバータのように、交流電力を直接、交流の可変電圧可変電流の交流電力に変換する電力変換装置を含む可変電圧可変周波数電力変換器等を指す。なお、電力変換器２がデッドタイムを補正する装置を設けていても、または補正機能を内蔵していても、この発明を適用することができる。
【００１３】
電流検出器３は、電動機４の電流を検出する。電動機４が三相電動機である場合には、例えば図１に示すようにＵ相とＶ相の電流ｉｕ，ｉｖ、のように二相の相電流を測定することが多いが、三相の相電流を測定してもよい。なお、図１では、電流検出器３が電力変換器２の出力電流を測定しているが、電流検出器３は、ワンシャント抵抗による電流測定法のように、電力変換器２の母線電流を測定して、各相電流を推定するものであってもよく、この場合にもこの発明は適用可能である。
【００１４】
回転角検出器５は、電動機４の回転角を検出する。この発明の回転角検出器５は、光学式のエンコーダ、レゾルバ、磁気センサのように電動機４の回転角を検出できるものであればよく検出形態は限定されない。また、電動機４の回転速度を検出し、回転速度の時間積分により電動機４の回転角を求める構成のものであってもよい。
【００１５】
図１の電流制御部１における電流指令演算器１１は、電動機４の回転座標であるｄ−ｑ軸上の電流指令値ｉ＊ｄ，ｉ＊ｑを出力する。例えば、電動機４の回転速度を制御する場合には、電流指令演算器１１には速度制御の機能が含まれ、電動機４の回転速度が指令速度に追従するために必要な電流指令が出力される。さらに、電流指令演算器１１は、電流制御部１の外部から入力される電動機４または電動機４の動作に関連する信号に従って電流指令を計算し、電流指令値を出力するものであってもよい。
【００１６】
ｄ軸電流制御器１２とｑ軸電流制御器１３は、電流指令演算器１１から出力された電流指令値に検出電流が追従するようにｄ−ｑ軸上の電圧指令値ｖ＊ｄ，ｖ＊ｑを計算し出力する。詳細な説明は後述する。
【００１７】
３相／ｄｑ軸変換器１５は、電流検出器３で検出した電動機４の電流ｉｕ、ｉｖを式(１)の演算により、ｄ軸上の電流ｉｄおよびｑ軸上の電流ｉｑへ座標変換する。なお、図１では、電動機４の３相の電流の内、ｕ相とｖ相を検出する構成を示したが、他の２相を検出する構成でもよい。また、式(１)に限らず、３相／ｄｑ軸変換器１５は、検出した電動機４の電流をｄ−ｑ軸上へ変換するものであればよい。
そしてｄ軸上の電流ｉｄおよびｑ軸上の電流ｉｑがそれぞれｄ軸、ｑ軸の電流検出値となる。
【００１８】
【数１】
2018011468.tif 000003
【００１９】
ｄｑ軸／３相変換器１４は、ｄ軸電流制御器１２とｑ軸電流制御器１３から出力されたｄ軸電圧指令値ｖ＊ｄ、ｑ軸電流指令値ｖ＊ｑを式(２)により３相電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗに変換する。なお、式(２)に限らず、ｄｑ軸／３相変換器１４は、ｄ−ｑ軸の電圧を３相電圧へ変換するものであればよい。
【００２０】
【数２】
2018011468.tif 000004
【００２１】
以降で電流制御部１の特にｄ軸電流制御器１２とｑ軸電流制御器１３について説明するが、電流制御部１の少なくともｄ軸電流制御器１２とｑ軸電流制御器１３はコンピュータで構成することができる。コンピュータは、図２以降に機能ブロックで示された、目標応答フィルタ２１、目標応答補償器２２、電流制御器２３、および各減算器２４、２５、加算器２６、の処理のための各種プログラムおよび処理に必要な種々の設定情報が格納されたメモリと、各種プログラムおよび設定情報に従って処理を実行するプロセッサで構成される。
また機能ブロックで示された図１の電流制御部１の、ｄ軸電流制御器１２とｑ軸電流制御器１３以外の部分も同様にして同一のコンピュータで構成し得る。
また各機能ブロックで示された部分は、それぞれの機能を実行するデジタル回路でも構成され得る。
【００２２】
図２はｄ軸電流制御器１２およびｑ軸電流制御器１３で共通の内部構成の一例を示すもので、具体的な処理内容を示す。ｄ軸電流制御器１２とｑ軸電流制御器１３は同じ処理内容であるため、同じ図で説明をする。即ち、図２において電流指令値ｉ＊はｄ軸またはｑ軸電流指令を示し、電流検出値ｉはｄ軸またはｑ軸の電流検出値を示し、電圧指令値ｖ＊はｄ軸またはｑ軸電圧指令値を示す。
【００２３】
図２において、目標応答フィルタ２１は、電流指令値ｉ＊が入力され電流指令値に対して設計値通りの制御応答、すなわち目標の応答速度で応答する目標応答電流ｉ２１を出力する。このフィルタの詳細に関しては後述する。目標応答フィルタ２１から出力された設計値通りの制御応答値で応答する目標応答電流値ｉ２１は、減算器２５により電流検出値ｉと比較され、その偏差が出力される。減算器２５で計算された設計値通りの制御応答で応答する目標応答電流値ｉ２１と電流検出値ｉの偏差ｉ２５は、目標応答補償器２２に入力される。目標応答補償器２２は、減算器２５の出力する偏差ｉ２５を電流検出値ｉに関連付けられた目標応答ゲインにより増幅して補償電流値ｉ２２として出力する。補償電流値ｉ２２は、加算器２６で、減算器２４で計算された指令電流値ｉ＊と電流検出値ｉの偏差ｉ２４に加算される。加算器２６から出力される信号ｉ２６は、電流制御器２３に入力され、電流制御器２３は電動機４に対する電圧指令値ｖ＊を演算して出力する。
なお、電流制御器２３、減算器２４、加算器２６が電流制御部を構成する。また、目標応答補償器２２、減算器２５が目標応答補償部を構成する。
【００２４】
図３は図２の内部構成に電動機モデルを適用した図を示している。図３は、図２に比べ、電動機４のモデルである電動機モデル３１が追加されている。従って、電動機モデル３１は、ｄ軸またはｑ軸の電動機モデルを示す。以降の説明を簡潔にするために、図３を図４のように記号に変換してモデル化したものに従って説明する。すなわち、
Ｐ(ｓ)：電動機モデル３１
Ｃ１(ｓ)：電流制御器２３
Ｋ：目標応答補償器２２
Ｃ２(ｓ)：目標応答フィルタ２１
とする。図４において、ｄ軸またはｑ軸の電動機４のモデル３１は、ｄ軸とｑ軸の干渉項を無視する、又は非干渉制御が適用されたとすると、式(３)で表わされる。
【００２５】
【数３】
2018011468.tif 000005
【００２６】
ｄ軸またはｑ軸の電動機モデルは同じ式で表わせるため、式(３)で表わす。式(３)において、
Ｌｍ：電動機４のｄ軸インダクタンスまたはｑ軸インダクタンス値、
Ｒｍ：電動機４の巻線抵抗値、
ｓ：ラプラス演算子
を示す。ｄ軸ｑ軸共に同じ制御系の構成でこの発明は実施できるため、以降では式(３)の電動機モデルを基に説明をする。式(３)に示した電動機４のモデルに対し、電流制御器２３は次のようにＰＩ制御を適用する。
【００２７】
【数４】
2018011468.tif 000006
【００２８】
ここで、
ωｃ：ｄ軸電流制御器１２またはｑ軸電流制御器１３の制御応答の設計値、
Ｌ：ｄ軸電流制御器１２またはｑ軸電流制御器１３で設定する電動機４のｄ軸またはｑ軸インダクタンス値、
Ｒ：ｄ軸電流制御器１２またはｑ軸電流制御器１３で設定する電動機４の巻線抵抗値
である。
【００２９】
次に、ｄ軸電流制御器１２またはｑ軸電流制御器１３が式(４)で示された制御則のみで構成される場合を考える。すなわち、目標応答フィルタ２１と目標応答補償器２２は図４から無視して考える。この場合、ｄ軸電流制御器１２またはｑ軸電流制御器１３の開ループ特性は、次のように計算できる。
【００３０】
【数５】
2018011468.tif 000007
【００３１】
以降では、Ｒ＝Ｒｍ、即ち電動機４の抵抗値と制御器で設定する抵抗値が一致しているとして、電動機４のインダクタンス値と制御器で設定するインダクタンス値とのインダクタンス誤差による影響を説明する。図５は、ｄ軸電流制御器１２およびｑ軸電流制御器１３で共通の開ループ特性のゲイン線図、即ち式(５)のゲイン線図を示している。図５において、
Ａは、電動機４のｄ軸またはｑ軸インダクタンスがｄ軸電流制御器１２またはｑ軸電流制御器１３で設定されているインダクタンスに比べ＋５０％の誤差がある場合、
Ｂは、電動機４のｄ軸またはｑ軸インダクタンスとｄ軸電流制御器１２またはｑ軸電流制御器１３で設定されているインダクタンスが一致している場合、
Ｃは、電動機４のｄ軸またはｑ軸インダクタンスがｄ軸電流制御器１２またはｑ軸電流制御器１３で設定されているインダクタンスに比べ−５０％の誤差がある場合、
を示している。
なお、式(４)のｄ軸電流制御器１２またはｑ軸電流制御器１３の制御応答ωｃの設計値は１００Ｈｚに設定されているとする。
【００３２】
図５において、開ループ特性がゲイン０［ｄＢ］と交差する点が実際の電流制御の制御応答となるが、
Ａの場合はインダクタンス誤差が＋５０％のため、制御応答ωＡは１００Ｈｚ×１／１．５＝６６Ｈｚになっている。
Ｂの場合はインダクタンス誤差がないため、制御応答ωＢは設計値通りの１００Ｈｚとなっている。
Ｃの場合はインダクタンス誤差が−５０％のため、制御応答ωＣは１００Ｈｚ×１／０．５＝２００Ｈｚになっている。
このように、電動機４のインダクタンスとｄ軸電流制御器１２またはｑ軸電流制御器１３に設定されるインダクタンスとに誤差がある場合には、設計値通りの制御応答を達成することができない。
【００３３】
図６は、図５におけるＡ、Ｂ、Ｃ、３通りのインダクタンス誤差でのこの発明を適用しない場合のステップ状の指令電流値に対する電流応答の変化を示している。図６において、Ｂの場合の応答が設計通り１００Ｈｚの応答であるが、Ａの場合のようにインダクタンス誤差により制御応答が設計値よりも小さくなると、ステップ状の指令電流値Ｘに対して立ち上がりが遅くなり収束にかかる時間が長くなってしまう。また、Ｃのようにインダクタンス誤差により制御応答が設計値よりも大きくなると、立ち上がりが早くなり指令電流値Ｘに対して収束するのにかかる時間は短くなるが、制御応答が上がり過ぎるとオーバーシュートの発生、振動の発生、最悪の場合には電流制御ループが不安定化する可能性がある。よって、インダクタンス誤差に起因した制御応答の変動を抑え、設計通りの性能を達成することが必要である。
【００３４】
ここで補足説明を加えると、電流制御応答ωｃは電流制御の帯域を示すもので、帯域とは、応答性すなわち速応性の目安になる。上述したように、電流制御の開ループ特性で見たときにゲイン０［ｄＢ］になる点が帯域になる。応答性すなわち速応性とは、この発明の場合、指令電流値に対して検出電流値がどのくらいの速度、時間で追従するかを示す。例えば、制御応答が大きいほど収束までにかかる時間が短くなる。これは、時定数(Ｔ＝１／(２πω)(ωは制御帯域[Ｈｚ])を評価値として評価される。時定数とは、検出電流が指令電流の６３％に達するまでの時間である。この時間が短いほど、すなわち、制御応答が大きいほど、収束にかかる時間が短くなる。従って上述のように、帯域が変わると、検出電流の応答が意図せず速くなったり遅くなったりする。この様子を示したのが図５の開ループ特性であり、理解を容易にするための時間応答で示したものが図６の電流応答の図になる。
【００３５】
ｄ軸電流制御器１２またはｑ軸電流制御器１３の設定インダクタンスが電動機４のインダクタンスと誤差がない場合、即ちＬ＝Ｌｍが成り立つ時、式(５)に示した開ループ特性Ｇｏｐ(ｓ)は、次式となる。
【００３６】
【数６】
2018011468.tif 000008
【００３７】
従って、電動機４のインダクタンスと電流制御器で設定しているインダクタンスに誤差のない理想状態における閉ループ特性Ｇｃl(ｓ)は、次の通りである。
【００３８】
【数７】
2018011468.tif 000009
【００３９】
従って、電動機４のインダクタンスと電流制御器で設定しているインダクタンスに誤差のない場合、電流検出値は電流指令値に対して１次遅れの応答で追従することが分かる。式(７)が従来の電流制御における理想的な応答を示す関係式であり、この伝達特性を図２，３，４における目標応答フィルタ２１(Ｃ２(ｓ))として設定する。これにより、目標応答フィルタ２１は、電流制御器の設定値と電動機の実際の値にインダクタンス誤差がないと仮定したときの電流指令値ｉ＊に対する理想的な目標応答電流値ｉ２１を出力する。
【００４０】
上述したｄ軸電流制御器１２またはｑ軸電流制御器１３の開ループまたは閉ループ特性は、目標応答フィルタ２１、目標応答補償器２２を考慮していないが、以降では目標応答フィルタ２１、目標応答補償器２２を考慮してその効果について説明する。目標応答フィルタ２１、目標応答補償器２２を考慮し、ｄ軸電流制御器１２またはｑ軸電流制御器１３の開ループ特性を求めると、次のようになる。
【００４１】
【数８】
2018011468.tif 000010
【００４２】
ｄ軸電流制御器１２またはｑ軸電流制御器１３の理想的な開ループ特性は、式(６)で示した通りであり、式(８)では、電動機の実際の値と電流制御器の設定値とのインダクタンス誤差により理想的な開ループ特性とならない。ここで、自由に設定できるＫを用いて、式(８)を式(６)に近づけること考えると、目標応答補償器２２の目標応答ゲインＫを十分大きく選べば、パラメータ誤差があっても開ループ特性を式(６)に近づけることができることが分かる。
【００４３】
次に、目標応答補償器２２の目標応答ゲインＫについて説明する。式(８)よりＫを無限に大きくすれば、インダクタンスの誤差の影響を無視できるほどに小さくでき、開ループ特性を理想的な特性へ近づけることが可能となる。しかしながら、目標応答補償器２２の目標応答ゲインＫを大きくし過ぎると、目標応答フィルタ２１が出力する目標応答電流値(ｉ２１)と電流検出値ｉとの差が過剰に増幅されてｄ軸またはｑ軸電流制御器１２、１３が出力する電圧指令値ｖ＊ｄ，ｖ＊ｑが飽和したり、過剰な電圧指令により電流制御が不安定化したりする可能性がある。また、電圧指令値の飽和や電流制御の不安定化を起こさないために小さな目標応答ゲインＫを選ぶと、インダクタンス誤差の影響を小さくできず、制御応答を一定にできない。そのため、目標応答補償器２２の目標応答ゲインＫはインダクタンス誤差の影響を所望の電流制御帯域、即ち式(４)における電流制御応答ωｃにおいて打ち消すことができる程度の適切な値に設定することが好ましい。式(８)は次のように変形できる。
【００４４】
【数９】
2018011468.tif 000011
【００４５】
ここで、ΔＬはΔＬ＝Ｌｍ／Ｌで表わされ、電動機４のインダクタンスＬｍと電流制御器で設定されるＬとの比、即ちインダクタンスの誤差の比率である。電動機４のインダクタンＬｍが設計値に比べ５０％小さい場合にはΔＬ＝０．５となり、逆に５０％大きい場合にはΔＬ＝１．５となる。式(９)における括弧内の伝達特性を式(１０)のように表わす。
【００４６】
【数１０】
2018011468.tif 000012
【００４７】
この伝達特性が、所望の制御帯域、即ち電流制御応答ωｃにおいて０となれば、開ループ特性は式(６)に示した理想特性となることが分かる。式(１０)が０となるためには、分子＝０より、電動機４のインダクタンスＬｍと電流制御器で設定されるＬとの比ΔＬ＝１が条件であり、これは電動機４の実際の値と電流制御器での設定値とにインダクタンス誤差がない条件である。操作できるのは目標応答補償器２２の目標応答ゲインＫのみであるから、式(１０)を完全に０にすることはできない。よって、目標応答補償器２２の目標応答ゲインＫにより式(１０)を０に近づける。即ち、式(１１)が成り立てばよい。ここで、εは１より十分小さい正の定数である。理想的には式(１１)を０にすれば良いが、上述の理由から０にできないため、十分小さい正の値になるようにする。
【００４８】
【数１１】
2018011468.tif 000013
【００４９】
式(１１)の周波数伝達関数を計算し電流制御応答ωｃにおけるゲインを計算すると、式(１２)のような関係式が得られる。
【００５０】
【数１２】
2018011468.tif 000014
【００５１】
式(１２)を目標応答補償器２２の目標応答ゲインＫについて解くと、電流制御応答ωｃにおいて式(８)を理想の開ループ特性に近づける目標応答ゲインＫを得ることができる。ここで、抵抗値Ｒ、インダクタンス値Ｌ、制御応答ωｃは電流制御器において設定する値、εは設計値であり、すべて定数である。従って、式(１２)で得られる目標応答ゲインＫは、式(１３)のように電動機４のインダクタンス値Ｌｍと電流制御器で設定されるインダクタンス値Ｌとの比ΔＬの関数ｆ(ΔＬ)となる。
【００５２】
【数１３】
2018011468.tif 000015
【００５３】
従って、電動機４のインダクタンスＬｍと電流制御器で設定されるＬとの比ΔＬが得られれば開ループ特性を理想的な特性に近づける目標応答ゲインＫが得られる。この目標応答ゲインＫを用いることで加不足なく、目標応答補償器２２は補償電流値を計算することが可能となり、インダクタンス誤差の影響を小さくでき、一定の制御応答を実現できる。
【００５４】
電動機４のインダクタンスＬｍと電流制御器で設定されるＬとの比ΔＬはΔＬ＝Ｌｍ／Ｌであり、電動機のインダクタンス値Ｌｍが分かればよい。図７は電流値とインダクタンス値の関係を示す、インダクタンスの関数モデルの一例を示す図である。コンピュータによる電動機の解析や、電動機の特性計測試験等により得られたインダクタンス値をプロットし、解析値または計測値を線形補間した関数近似値を示している。このような関数式に基づく関数近似値により電動機のインダクタンス値Ｌｍを計算し、電流制御器で設定されるＬは既知であるから、電動機４のインダクタンスＬｍと電流制御器で設定されるＬとの比ΔＬを計算すれば、式(１３)に示す目標応答ゲインＫを計算でき、インダクタンス誤差の影響を抑制し、制御応答を一定にすることが可能となる。
なお、電流制御部１のｄ軸電流制御器１２およびｑ軸電流制御器１３がコンピュータで構成されている場合、インダクタンスの関数モデルはメモリに格納され、目標応答補償器２２においてメモリから読み出しで演算を行う。
【００５５】
図７は、解析値や計測値を線形補間した図を示したが、二次関数や指数関数などを近似するなど関数の種類は限定されない。電流値を入力としてインダクタンス値を計算できる構成であればよい。さらに、電動機４のインダクタンスＬｍと電流制御器で設定されるＬとの比ΔＬの関数を電流値に関連付けて記憶しておき、直接インダクタンスＬｍと電流制御器で設定されるＬとの比ΔＬを計算するような構成でもこの発明は実施することができる。
【００５６】
上述のように、インダクタンスＬｍと電流制御器で設定されるＬとの比ΔＬは電流値の関数として考えることができる。よって、ΔＬは電流値ｉを用いて、ΔＬ(ｉ)のように記述することができ、式(１３)は次のように書くことができる。
【００５７】
Ｋ＝ｆ(ΔＬ(ｉ))
【００５８】
目標応答ゲインＫは、インダクタンスＬｍと電流制御器で設定されるＬとの比ΔＬの関数であるが、ΔＬは電流値の関数として与えられるため、目標応答ゲインＫも電流値の関数として計算することができる。例えば、ΔＬが電流値ｉの１次関数で記述できる場合には、ΔＬ＝ａ×ｉ＋ｂ(ａ、ｂは定数)となり、これを式(１３)に代入すると、結局、式(１３)は、Ｋ＝ｆ(ｉ)と変換される。したがって、図２に示した目標応答補償器２２は電流検出値ｉを入力とした構成となっている。
【００５９】
ここで、関数により得られたインダクタンス値には誤差が含まれるため、目標応答ゲインＫにも誤差が発生することが考えられる。しかし、式(１２)の設計値εを十分に小さな値にしておくことで、目標応答ゲインＫに誤差があっても、式(１０)のゲインを制御応答ωｃの周波数において十分小さな値にすることができる。したがって、関数により得られたインダクタンス値に誤差があったとしても、制御性能は悪化しない。
【００６０】
図９は、図６に示した条件において、この発明を適用した場合の電流応答を示している。すべての条件において、ステップ状の指令電流値Ｘに対して同じ応答となっており、この発明の効果を確認できる。従って、電動機４のインダクタンスと電流制御部の設定されたインダクタンスが異なっていても、この発明を適用することで制御応答が変化することなく、目標の応答速度で電流検出値ｉは電流指令値ｉ＊に追従することが可能となる。
【００６１】
さらにこの発明では、電圧外乱についても補償が可能である。図１０は、図４と同様のブロック図であるが電流制御器(Ｃ１(ｓ))２３の出力する電圧指令値Ｖ＊に電圧外乱ｗが加算されている。上述の説明では、干渉項を無視する、又は非干渉制御の適用により干渉項は打ち消されているという前提で説明をしたが、非干渉制御にも電動機のインダクタンス値が必要であり、インダクタンス誤差がある場合には、非干渉項が正確に打ち消されずに電圧外乱として、作用する。このとき、電圧外乱ｗから電流検出値ｉまでの伝達特性Ｇｗｉ(ｓ)を求めると、式(１４)となる。
【００６２】
【数１４】
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【００６３】
図１１は式(１４)のゲイン線図を示している。図１４において、
Ａは、目標応答ゲインＫ＝０のときの式(１４)のゲイン線図、
Ｂは、式(１３)の目標応答ゲインＫを適用したときの式(１４)のゲイン線図、
を示している。Ａに比べＢのゲインが小さくなっていることが分かる。電圧外乱ｗは低周波外乱として扱われるのが一般的であるから、目標応答ゲインＫは電圧外乱を抑制する効果があることが分かる。よって、この発明では電圧外乱による応答の変化も補償することが可能である。
【００６４】
実施の形態２．
上記実施の形態１では、関数によりインダクタンス値を演算し、目標応答ゲインＫを求める構成であった。この実施の形態２では、インダクタンスのテーブルデータにより目標応答ゲインＫを求める。
図８は、この発明の実施の形態２による電動機の制御装置における電流値とインダクタンス値のテーブルデータの一例を示している。コンピュータによる電動機の解析や、電動機の特性計測試験等により得られたインダクタンス値を電流値と関連付けてテーブルデータとして、ｄ軸電流制御器１２およびｑ軸電流制御器１３を構成するコンピュータのメモリに記憶しておく。そして、電動機のインダクタンス値Ｌｍを計算し、電流制御器で設定されるＬは既知であるから、電動機４のインダクタンスＬｍと電流制御器で設定されるＬとの比ΔＬを計算すれば、式(１３)に示す目標応答ゲインＫを計算でき、インダクタンス誤差の影響を小さくでき、制御応答を一定にすることが可能となる。
さらに、テーブルデータにより電動機のインダクタンス値を計算する構成ではなく、電動機４のインダクタンスＬｍと電流制御器で設定されるＬとの比ΔＬをデータテーブルで記憶しておき、電動機４のインダクタンスＬｍと電流制御器で設定されるＬとの比ΔＬを電流値を入力として直接計算するような構成でもよい。さらにまた、図８に示したテーブルデータに限らず、電動機インダクタンスＬｍが計算できる構成、または電動機４のインダクタンスＬｍと電流制御器で設定されるＬとの比ΔＬを計算できる構成であればテーブルデータの種類は限定されない。
【００６５】
上述のように、インダクタンスＬｍと電流制御器で設定されるＬとの比ΔＬは電流値に関連付けられた値である。よって、ΔＬは電流値ｉを用いて、ΔＬ(ｉ)のように記述することができ、式（１３）は次のように書くことができる。
【００６６】
Ｋ＝ｆ(ΔＬ(ｉ))
【００６７】
目標応答ゲインＫは、インダクタンスＬｍと電流制御器で設定されるＬとの比ΔＬの関数であるが、ΔＬは電流値の関数として与えられるため、目標応答ゲインＫも電流値の関数として計算することができる。したがって、図２に示した目標応答補償器２２は電流検出値ｉを入力とした構成となっている。
【００６８】
ここで、テーブルデータにより得られたインダクタンス値には誤差が含まれるため、目標応答ゲインＫにも誤差が発生することが考えられる。しかし、式(１２)の設計値εを十分に小さな値にしておくことで、目標応答ゲインＫに誤差があっても、式(１０)のゲインを制御応答ωｃの周波数において十分小さな値にすることができる。したがって、テーブルデータにより得られたインダクタンス値に誤差があったとしても、制御性能は悪化しない。
【００６９】
本実施の形態においても、インダクタンス誤差があったとしても図９に示す一定の応答が得られる。さらに、実施の形態１に示した効果と同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００７０】
実施の形態３．
図１２は、上述のこの発明の実施の形態１、２による電動機の制御装置を適用したこの発明の実施の形態３による電動パワーステアリングの構成の一例を概略的に示す図である。図１２において、運転者は、ハンドル１２０１を左右に回転させて操舵輪である例えば前輪１２０３の操舵を行う。トルク検出器１２０２は、ハンドル１２０１を含むステアリング系ＳＴの操舵トルクを検出し、検出トルクを制御装置１２０５に出力する。制御装置１２０５は、上記実施の形態１と２で述べた電動機の制御装置であり、トルク検出器１２０２で検出されたトルクをトルク指令として電動機４に印加する電圧を演算する。電動機４は、ギア１２０４を介してハンドル１２０１を含むステアリング系ＳＴに、操舵トルクを補助するアシストトルクを発生する。
【００７１】
制御装置１２０５に入力されるトルク指令は、図１に示した電流指令演算器１１によりｑ軸電流指令値ｉ＊ｑへ変換される。電動機４が永久磁石同期機の場合には、ｄ軸電流指令値ｉ＊ｄはモータ効率の観点からゼロに設定されるが、電動機４の回転数が高く電圧飽和が起きるような状況では、負のｄ軸電流指令値ｉ＊ｄにより電圧飽和を解消する向きに電流を流す。特に、前輪１２０３への負荷が大きく、高速操舵が必要な時には負のｄ軸電流指令値ｉ＊ｄが生成される。上述のように生成されたｄ軸電流指令値ｉ＊ｄまたはｑ軸電流指令値ｉ＊ｑはｄ軸電流制御器１２またはｑ軸電流制御器１３へ入力される。そして、実施の形態１または２で説明した電流制御演算により、電圧指令値ｖ＊を計算し出力する。
【００７２】
図１２のような電動パワーステアリング装置において、電動機と制御器にける設定値とにインダクタンス誤差があるときには、運転者が操舵したトルクに対して遅れて電動機４が応答したり、過大なオーバーシュートが発生したりして、運転者の意図しない動作を行う可能性があり危険である。しかしながら、この発明を適用することにより、電動機と制御器にける設定値とにインダクタンス誤差がある場合においても一定の制御応答で安定してアシストトルクを発生することができ、安全な電動パワーステアリング装置を提供できる。
【００７３】
以上、この発明による電動機の制御装置およびこれを用いた電動パワーステアリング装置について、各実施の形態に従って説明したが、この発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００７４】
１  電流制御部、２  電力変換器、３  電流検出器、４  電動機、５  回転角検出器、
１１  電流指令演算器、１２  ｄ軸電流制御器、１３  ｑ軸電流制御器、
１４  ｄｑ軸／３相変換器、１５  ３相／ｄｑ軸変換器、２１  目標応答フィルタ、
２２  目標応答補償器、２３  電流制御器、２４，２５  減算器、２６  加算器、
３１  電動機モデル、１２０１  ハンドル、１２０２  トルク検出器、１２０３  前輪、
１２０４  ギア、１２０５  制御装置、ＳＴ  ステアリング系。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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