(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁としてのロータならびにＵ相、Ｖ相およびＷ相のステータ巻線を備えた電動モータを駆動するためのモータ制御装置であって、
前記Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のステータ巻線にそれぞれ印加される電圧により表される電圧ベクトルがその大きさを一定に保持して所定周期で回転するように、前記電動モータの定格周波数よりも高い周波数の高周波正弦電圧を、探査電圧として、前記ステータ巻線に印加する探査電圧印加手段と、
この探査電圧印加手段によって探査電圧を印加している期間中に、前記電動モータに流れる電流を検出する電流検出手段と、
この電流検出手段が検出する電流の大きさが極大値をとるときの前記電圧ベクトルの位相に基づいて、前記ロータの回転角を推定するロータ回転角推定手段とを含むことを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
前記探査電圧印加手段は、前記ステータの磁気飽和を生じさせることができる大きさの高周波電圧ベクトルを印加し、
前記ロータ回転角推定手段は、前記電流検出手段が検出する電流の大きさが最大値をとるときの前記電圧ベクトルの位相に基づいて前記ロータのＮ極位置を判定することを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
【請求項３】
前記探査電圧印加手段は、前記ロータの回転を引き起こすことのない程度のデューティ比の高周波印加電圧を印加することを特徴とする請求項１または２に記載のモータ制御装置。
【請求項４】
前記電流検出手段は、前記探査電圧印加手段が発生する探査電圧の周波数に対応した周波数成分を抽出する高周波応答抽出手段を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
ロータ停止時および極低速回転時には、誘起電圧を推定できないので、別の方式で磁極の位相が推定される。具体的には、図２(a)に示すように、ロータ５０の回転中心を原点とする固定座標であるαβ座標の原点まわりにロータ５０の回転方向に沿って回転する高周波電圧ベクトル（大きさは一定）が形成されるように、高周波探査電圧がＵ，Ｖ，Ｗ相のステータ巻線５１，５２，５３に印加される。高周波電圧ベクトルは、ロータ５０の回転速度に対して十分に高速に回転する電圧ベクトルである。この高周波電圧ベクトルの印加に伴って、Ｕ，Ｖ，Ｗ相のステータ巻線５１，５２，５３に電流が流れる。この三相の電流の大きさおよび方向をαβ座標上で表した電流ベクトルは、原点まわりに回転することになる。
【０００４】
ロータ５０のインダクタンスは、磁束方向に沿う磁極軸であるｄ軸と、これに直交するｑ軸（トルク方向に沿う軸）とで異なる値をとる。そのため、電流ベクトルの大きさは、ｄ軸に近い方向の場合に大きく、ｑ軸に近い方向の場合に小さくなる。その結果、図２(b)に示すように、電流ベクトルの終点は、αβ座標上において、ロータ５０のｄ軸方向を長軸とする楕円形の軌跡５５を描く。
【０００５】
したがって、電流ベクトルの大きさは、ロータ５０のＮ極方向およびＳ極方向において極大値を有する。すなわち、図３(a)に示すように、電流ベクトルの１周期において、その大きさは、２つの極大値を有する。この場合、電圧ベクトルの大きさが十分に大きければ、ステータの磁気飽和の影響により、ロータ５０のＮ極側の方がＳ極側よりもインダクタンスが小さくなり、Ｎ極方向の電流ベクトルの大きさが最大値をとることになる（曲線Ｌ１参照）。
【０００６】
そこで、十分に大きな高周波電圧ベクトルを印加してＮ極に対応した電流ベクトルの極大を特定しておき、その後は、大きさを小さくした高周波電圧ベクトルを印加し、電流ベクトルの極大値に基づいて、ロータ５０の位相を推定することができる。より具体的には、大きさが極大値をとるときの電流ベクトルのα軸成分Ｉαおよびβ軸成分Ｉβにより、ロータ５０の位相角（電気角）θは、θ＝Ｔan-1（Ｉβ／Ｉα）として求められる。
【特許文献１】特開２００４−３４３９６３号公報
【非特許文献１】陳 志謙他、「外乱オブザーバと速度適応同定による円筒型ブラシレスＤＣモータの位置・速度センサレス制御」、電気学会論文誌 Ｄ，１１８巻７／８号、平成１０年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、図２(b)に示されているとおり、高周波電圧ベクトル印加時における電流の応答には、ｄ軸方向およびｑ軸方向のインダクタンスの相異に起因する歪みが生じている。そのため、電流ベクトルのα軸成分Ｉαおよびβ軸成分Ｉβを求めるには、コンピュータに複雑な演算処理を行わせる必要がある。そのため、処理装置に対する演算負荷が大きいという問題がある。
【０００８】
そこで、この発明の目的は、センサレス駆動のための処理を簡単にすることができるモータ制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、界磁としてのロータ（５０）ならびにＵ相、Ｖ相およびＷ相のステータ巻線（５１，５２，５３）を備えた電動モータ（３）を駆動するためのモータ制御装置（５）であって、前記Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のステータ巻線にそれぞれ印加される電圧により表される電圧ベクトルがその大きさを一定に保持して所定周期で回転するように、前記電動モータの定格周波数よりも高い周波数の高周波正弦電圧を、探査電圧として、前記ステータ巻線に印加する探査電圧印加手段（３０）と、この探査電圧印加手段によって探査電圧を印加している期間中に、前記電動モータに流れる電流を検出する電流検出手段（１９，２４）と、この電流検出手段が検出する電流の大きさが極大値をとるときの前記電圧ベクトルの位相に基づいて、前記ロータの回転角（位相角、電気角）を推定するロータ回転角推定手段（２５，２６）とを含むことを特徴とするモータ制御装置である。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。
【００１０】
ロータの極軸方向（ｄ軸方向）のインダクタンスと、これに直交する方向（ｑ軸方向）のインダクタンスとの相異のために、大きさが一定の電圧ベクトルの回転に伴って、電動モータに流れる電流（電流ベクトルの大きさ）に変化が生じる。具体的には、電流ベクトルは、ロータの極位置（Ｎ極，Ｓ極）に沿う方向のときに、その大きさが極大値をとる。そこで、電流が極大値をとるときの電圧ベクトルの位相に基づいて、ロータの回転角が推定される。
【００１１】
電圧ベクトルは大きさが一定であるので、歪みの生じている電流ベクトルに比較して、その位相の計算が容易である。これにより、演算処理を簡素化しつつ、ロータの回転角をセンサレスで推定できる。
前記探査電圧印加手段は、前記ロータが回転停止または極低速回転（たとえば、２５０ｒｐｍ以下）しているときに、探査電圧をステータ巻線に印加するものであることが好ましい。また、前記探査電圧印加手段は、前記電圧ベクトルがロータの回転よりも速く（好ましくは、２０倍以上の速さで）回転するように探査電圧を印加するものであることが好ましい。
【００１２】
前記ロータ回転角推定手段は、前記探査電圧印加手段による探査電圧の印加と同期して計数動作を行い、前記電圧ベクトルの位相を表す計数値を生成する計数手段（２６）を含み、前記電流検出手段が検出する電流の大きさが極大値をとるときの前記計数手段の計数値を、前記ロータの回転角を表す回転角情報として出力するものであってもよい。
前記計数手段は、前記電圧ベクトルの回転周期Ｔをｎ等分する周期Ｔ／ｎで計数動作を行うものであってもよい。この場合、３６０度／ｎの分解能でロータの回転角を推定できる。また、前記計数手段は、電圧ベクトルが所定位相（たとえば０度）のときに初期化されて計数動作を開始するものであってもよい。この場合、前記計数手段は、当該所定位相からの経過時間を計時することになる。
【００１３】
前記電流検出手段は、ｄ軸電流およびｑ軸電流からノルムを演算することにより電流の大きさを求める手段を含んでいてもよい。
前記モータ制御装置は、前記ロータ回転角推定手段によって推定されるロータ回転角に基づいて、前記ロータを回転させるために前記ステータ巻線に印加する制御信号を生成する回転制御信号生成手段（１０，１３，１４，１５，１６，１７，１８，２０）をさらに含むことが好ましい。
請求項２記載の発明は、前記探査電圧印加手段が、前記ステータの磁気飽和を生じさせることができる大きさの高周波電圧ベクトルを印加し、前記ロータ回転角推定手段が、前記電流検出手段が検出する電流の大きさが最大値をとるときの前記電圧ベクトルの位相に基づいて前記ロータのＮ極位置を判定することを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置である。
請求項３記載の発明は、前記探査電圧印加手段が、前記ロータの回転を引き起こすことのない程度のデューティ比の高周波印加電圧を印加することを特徴とする請求項１または２に記載のモータ制御装置である。
請求項４記載の発明は、前記電流検出手段が、前記探査電圧印加手段が発生する探査電圧の周波数に対応した周波数成分を抽出する高周波応答抽出手段を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のモータ制御装置である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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(a)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。
【００１５】
モータ制御装置５は、ｄ軸電流指令値生成部１１と、ｑ軸電流指令値生成部１２と、ｄ軸ＰＩ（比例積分）制御部１３と、ｑ軸ＰＩ制御部１４と、ｄ軸指示電圧生成部１５と、ｑ軸指示電圧生成部１６と、ｄ軸指示電圧およびｑ軸指示電圧を座標変換する座標変換部１７と、ＰＷＭ制御部１０と、駆動回路（インバータ回路）１８と、電流検出手段としての電流検出回路１９と、電流検出回路１９の出力を座標変換する座標変換部２０とを備えている。
【００１６】
ｄ軸電流指令値生成部１１は、電動モータ３のロータ磁極方向に沿うｄ軸電流成分の指示値を生成する。同様に、ｑ軸電流指令値生成部１２は、ｄ軸に直交するｑ軸（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る。）電流成分の指示値を生成する。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Ｉd*およびｑ軸電流指令値Ｉq*は、次式(1)(2)のように表される。
【００１７】
【数１】
0004716118.tif 000002
【００１８】
したがって、ｄ軸電流指令値生成部１１は定数「０」を生成し、ｑ軸電流指令値生成部１２は操舵トルクに応じたｑ軸電流指令値Ｉq*を生成するように構成されている。より具体的には、ｑ軸電流指令値生成部１２は、操舵トルクに対応したｑ軸電流指令値Ｉq*を記憶したマップ（テーブル）によって構成されてもよい。
電流検出回路１９は、たとえば、電動モータ３のＵ相電流ＩUおよびＶ相電流ＩVを検出する。その検出値は、座標変換部２０に与えられる。座標変換部２０は、次式(3)(4)に従って、Ｕ相電流ＩUおよびＶ相電流ＩVを、ｄｑ座標上での電流成分、すなわち、ｄ軸電流Ｉdおよびｑ軸電流Ｉqに変換する。
【００１９】
【数２】
0004716118.tif 000003
【００２０】
モータ制御装置５は、ｄ軸電流指令値Ｉd*に対するｄ軸電流Ｉdの偏差を演算するｄ軸電流偏差演算部２１と、ｑ軸電流指令値Ｉq*に対するｑ軸電流Ｉqの偏差を演算するｑ軸電流偏差演算部２２とを備えている。これらが出力する偏差がそれぞれｄ軸ＰＩ制御部１３およびｑ軸ＰＩ制御部１４に与えられてＰＩ演算処理を受ける。そして、これらの演算結果に応じて、ｄ軸指示電圧生成部１５およびｑ軸指示電圧生成部１６によって、ｄ軸指示電圧Ｖd*およびｑ軸指示電圧Ｖq*が生成されて、座標変換部１７に与えられる。座標変換部１７は、次式(5)(6)(7)に従って、ｄ軸指示電圧Ｖd*およびｑ軸指示電圧Ｖq*をＵ相、Ｖ相およびＷ相の電圧指令値ＶU*，ＶV*，ＶW*に変換する。
【００２１】
【数３】
0004716118.tif 000004
【００２２】
ＰＷＭ制御部１０は、三相の電圧指令値ＶU*，ＶV*，ＶW*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１８に与える。これにより、電動モータ３の各相には、電圧指令値ＶU*，ＶV*，ＶW*に応じたデューティ比で電圧が印加されることになる。
前記式(3)〜(7)の座標変換のためには、ロータ５０の位相角（電気角）θが必要である。そこで、モータ制御装置５は、ロータ位相角θを、位置センサを用いることなく推定するロータ角度推定部２５を備えている。このロータ角度推定部２５には、電流検出回路１９の出力が、高周波応答抽出部２４を介して与えられている。高周波応答抽出部２４は、たとえば、ハイパスフィルタである。
【００２３】
ロータ５０の停止時および極低速回転時（２５０ｒｐｍ以下）においてロータ５０の位相角θを推定するために、モータ制御装置５には、さらに、探査電圧印加手段としての高周波電圧発生部３０が備えられている。この高周波電圧発生部３０は、電動モータ３の定格周波数に比較して十分に高い周波数（たとえば、２００Hz）の高周波正弦電圧を、探査電圧として、電動モータ３のＵ相、Ｖ相およびＷ相のステータ巻線５１，５２，５３に印加するための電圧指令値を生成し、ＰＷＭ制御部１０に与える。より具体的には、ロータ５０の回転を引き起こすことのない程度のデューティ比の高周波電圧の印加によって、Ｖ−Ｗ相通電、Ｗ−Ｕ相通電およびＵ−Ｖ相通電を順次繰り返させることにより、ロータ５０の回転中心まわりで空間的に回転する高周波電圧ベクトルを印加する。この高周波電圧ベクトルは、ロータ５０の回転中心を原点とする固定座標であるαβ座標の原点まわりに定速回転する一定の大きさの電圧ベクトル（回転定電圧ベクトル）である（図２(a)参照）。
【００２４】
高周波電圧発生部３０は、ロータ５０の停止時および極低速回転時において、前述のような高周波電圧（探査電圧）の印加のための指令値を生成してＰＷＭ制御部１０に与える。ロータ５０の回転が十分に速くなると（たとえば、２５０ｒｐｍを超えると）、高周波電圧発生部３０は、高周波電圧指令の発生を停止する。
高周波応答抽出部２４は、ロータ５０の停止時および極低速回転時において、高周波電圧発生部３０が発生する高周波電圧の周波数に対応した周波数成分を電流検出回路１９の出力信号から抽出するフィルタ処理を実行する。また、高周波応答抽出部２４は、ロータ５０の回転が十分に速くなると（たとえば、２５０ｒｐｍを超えると）、前記フィルタ処理を行わず、電流検出回路１９の出力信号をロータ角度推定部２５へとスルーさせる。
【００２５】
したがって、ロータ角度推定部２５は、ロータ５０の停止時および極低速回転時には、高周波応答抽出部２４によって抽出される高周波成分に基づいてロータ位相角θを推定する。また、ロータ角度推定部２５は、ロータ５０の回転が十分に速くなると、高周波応答抽出部２４によるフィルタ処理を受けていない電流検出回路１９の出力を用いることにより、ロータ５０の回転に伴ってＵ，Ｖ，Ｗ相のステータ巻線５１，５２，５３に現れる誘起電圧を推定し（たとえば、非特許文献１参照）、これに基づいて、ロータ５０の位相角θを推定する。
【００２６】
ロータ角度推定部２５は、ロータ５０の停止時および極低速回転時において、ロータ５０の回転角を求めるために使用される計数手段としてのカウンタ２６を備えている。このカウンタ２６は、高周波電圧発生部３０の働きによって印加される高周波電圧ベクトルがα軸（Ｕ相方向に一致）に沿うとき（すなわち、高周波電圧ベクトルの位相が零のとき）に初期化されて計数動作を開始するように繰り返し動作する。カウンタ２６は、たとえば、高周波電圧の周期（高周波電圧ベクトルがロータ５０の電気角で３６０度回転するのに要する時間）Ｔをｎ等分（ｎは１周期当たりのサンプリング数。たとえばｎ＝３６０）した周期Ｔ／ｎ毎にカウントアップするもので、その出力は、高周波電圧ベクトルの位相を表す。そこで、図３に示すように、高周波応答抽出部２４の出力（電流）の極大値が検出された時点でカウンタ２６の計数値を参照すれば、この計数値はロータ５０の磁極位置（電流ベクトルの大きさが最大のときの高周波電圧ベクトルの位相角）を表す。なお、図３(a)は電流ベクトルの大きさの時間変化を表し、図３(b)は高周波電圧ベクトルのβ軸成分の時間変化を表し、図３(c)はカウンタ２６の計数値の時間変化を表している。
【００２７】
図４は、ロータ５０の停止時または極低速回転時におけるロータ位相角推定動作を説明するためのフローチャートであり、高周波電圧発生部３０の働きによって印加される高周波電圧ベクトルの１周期（１回転）に対応している。高周波電圧ベクトルの印加開始（位相角零。α軸方向）と同期してカウンタ２６が初期化されて計数が開始される（ステップＳ１，Ｓ２，Ｓ３）。一方、ロータ角度推定部２５は、高周波応答抽出部２４の出力の極大値を検出し（ステップＳ４）、極大値が検出されたときのカウンタ２６の計数値をロータ位相角推定値として出力する（ステップＳ５）。
【００２８】
前述のとおり、電流ベクトルの大きさは、電流ベクトルの方向がロータ５０のＮ極方向およびＳ極方向に向くときに極大値をとり、高周波電圧ベクトルの大きさがステータの磁気飽和を生じるほど大きい場合には、Ｎ極方向に向くときの電流ベクトルの大きさがＳ極方向に向くときの電流ベクトルの大きさよりも大きくなる（図３(a)の曲線Ｌ１参照）。
そこで、Ｎ極位置が不明な場合には、高周波電圧発生部３０は、ステータの磁気飽和を生じさせることができる大きさの高周波電圧ベクトルを印加し、一方、ロータ角度推定部２５は、高周波電圧ベクトルの１周期中で電流ベクトルの大きさが最大値となるときのカウンタ２６の計数値に基づいてＮ極位置を判定する（Ｎ極判定動作）。すなわち、高周波電圧ベクトルの１周期に２度現れる極大値のうちのいずれがＮ極に対応した極大値であるかが特定される。その後は、高周波電圧発生部３０は、磁気飽和を生じるほどは大きくない高周波電圧ベクトルを印加し、ロータ角度推定部２５は、Ｎ極判定動作によって特定された極大値に対応する極大値の位置でカウンタ２６の計数値を参照し、その計数値をロータ角度位置として出力する（図３(a)の曲線Ｌ２参照）。
【００２９】
以上、この発明の一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、ロータ角度推定部２５は、高周波応答抽出部２４の出力を参照しているが、座標変換部２０で変換した後の電流成分Ｉd，Ｉqのノルム｛Ｉd2＋Ｉq2｝1/2を電流ベクトルの大きさとして用い、これが極大値をとるときの高周波電圧ベクトルの位相をカウンタ２６の計数値によって求めるようにしてもよい。
【００３０】
また、前述の実施形態では、高周波電圧ベクトルの印加と同期して計数を行うカウンタ２６を用いてロータ位相角θを求めているが、カウンタ２６を用いずにロータ位相角θを求めることもできる。たとえば、電流の極大値が検出されたときの高周波電圧ベクトルのα軸成分Ｖαおよびβ軸成分Ｖβから、θ＝Ｔan-1（Ｖβ／Ｖα）によって、位相角θを求めてもよい。
【００３１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】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。
【図２】高周波電圧ベクトルおよび電流ベクトルの回転を説明するための図である。
【図３】高周波電圧ベクトルの印加によるロータ位相角推定動作を説明するための図である。
【図４】ロータ位相角推定動作を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００３３】
５…モータ制御装置、２６…カウンタ、５０…ロータ、５１〜５３…ステータ巻線
【図１】
0004716118.tif 000005
【図２】
0004716118.tif 000006
【図３】
0004716118.tif 000007
【図４】
0004716118.tif 000008