JP7600583B2 - モータ装置及びマップの設定方法 - Google Patents

Description

本発明は、モータ装置及びマップの設定方法に関する。

特許文献１には、電動パワーステアリング装置が開示されている。電動パワーステアリング装置は、車両の操舵機構にモータのモータトルクを付与することにより、運転者のステアリング操作を補助する。電動パワーステアリング装置に搭載されるモータを制御対象とする制御装置は、検出された操舵トルクに基づいて、モータに流れる実電流の目標である指令電流を演算する。制御装置は、モータの回転角度に基づいて、指令電流を補正するための補正電流を演算する。補正電流は、空間高調波に起因したトルクリプルを低減するためのものである。そして、制御装置は、補正電流を用いて補正された指令電流に実電流を追従させる電流フィードバック制御を実行することにより、モータが出力するモータトルクを制御している。

特開２００３－１３７１１０号公報

補正電流を用いて指令電流を補正する場合には、電流フィードバック制御のフィードバックループの応答速度を十分に速くしなければ、空間高調波に起因したトルクリプルを低減する効果を得ることができない。しかし、電流フィードバック制御のフィードバックループの応答速度を速くするほど、指令電流に実電流を追従させることが困難になる。このため、電流フィードバック制御のフィードバックループの応答速度は、指令電流に実電流を追従させることができる程度に設定せざるを得ず、こうした電流フィードバック制御のフィードバックループの応答速度では、トルクリプルを低減する効果が十分に得られないおそれがあった。この場合、トルクリプルが発生することに起因して、モータから音や振動が発生するおそれがあった。

本発明の目的は、モータ装置及びマップの設定方法において、トルクリプルを低減することにある。

上記課題を解決するモータ装置は、車両のステアリング装置に搭載され、前記ステアリング装置に対してトルクを付与するように、当該ステアリング装置が有するモータを動作させるべく当該モータに電圧を印加するインバータ回路を制御するモータ制御装置と、前記モータの回転角度を検出する回転角度センサとを備えたモータ装置であって、前記モータ制御装置は、指令電流に前記モータに流れる実電流を追従させる電流フィードバック制御するための操作量として指令電圧を演算する指令電圧演算部と、前記指令電圧演算部により演算された前記指令電圧に基づいて、前記モータに印加する電圧が前記指令電圧となるように前記インバータ回路を操作する操作処理部と、前記指令電圧を補正するための高調波電圧を補正電圧として設定する開ループ処理部とを備え、前記開ループ処理部は、前記回転角度及び前記回転角度の変化量である回転速度に基づいて、高調波磁束を演算する高調波磁束演算部と、前記高調波磁束演算部により演算された前記高調波磁束に基づいて、前記補正電圧を演算する補正電圧演算部とを有し、前記操作処理部は、前記補正電圧演算部により演算された前記補正電圧によって補正された前記指令電圧に基づいて、前記インバータ回路を操作し、前記モータ制御装置は、前記回転角度及び前記回転速度と前記高調波磁束との関係を示すマップを設定するマップ設定部をさらに備え、前記マップ設定部は、前記回転角度センサにより検出された前記回転角度により得られた前記回転速度の変化量を示す回転速度変動を検出し、当該回転速度変動に慣性モーメントを示す所定係数を乗算することによりトルクリプルを推定し、当該トルクリプルに基づいて前記高調波磁束を演算するための前記マップを生成し、当該マップを前記高調波磁束演算部が参照できるように設定する。

上記構成によれば、開ループ処理部は、回転角度及び回転速度に基づいて演算された高調波磁束を用いて、指令電圧を補正するための補正電圧を演算するようにしている。高調波磁束の演算に際しては、回転角度だけでなく、回転速度を用いて高調波磁束を演算している。空間高調波に起因したトルクリプルは回転速度の変動に基づいて推定することができることから、回転速度に基づいてトルクリプルを低減するための補正電圧を演算することができる。そして、トルクリプルが低減するように補正している対象は、電流フィードバック制御に用いられる指令電流ではなく、指令電圧である。このため、電流フィードバック制御のフィードバックループの応答速度を指令電流に実電流を追従させることができる程度に設定したとしても、指令電圧を補正することで、トルクリプルを低減することができる。
また、上記構成によれば、マップ設定部は、トルクリプルをトルク変動から検出するのではなく、トルクリプルを回転速度変動から推定するようにしている。高調波磁束を演算するマップを生成するために必要となる情報は、回転角度センサを通じて測定することができる回転速度変動である。この回転速度変動は、モータ制御装置が備える回転角度センサを通じて得ることができる。この回転角度センサは、モータに電圧を印加するにあたって必要になる回転角度を検出するために、そもそも設けられるセンサである。このため、マップ設定部がマップを生成するにあたって、トルクリプルを検出するためのトルク計等のセンサを別途設ける場合と比べて、マップを生成する際に必要となる構成を少なくすることができる。

上記モータ装置において、前記開ループ処理部は、前記モータに流れる実電流を基本波電流とする場合に当該モータに印加される高調波電圧を前記補正電圧とすることが好ましい。

特に、高速回転速度領域では、鎖交磁束が基本波からずれることによる空間高調波に起因したトルクリプルが目立たなくなり、実電流が大きくなるときの磁気飽和による空間高調波に起因したトルクリプルが顕著となりやすい。上記構成によれば、指令電圧を補正電圧によって補正するため、モータに流れる実電流を基本波電流に近付けることができて、高速回転速度領域についても、空間高調波に起因したトルクリプルを低減することができる。

上記モータ装置において、前記高調波磁束演算部は、ｄ軸の実電流、ｑ軸の実電流、前記回転角度、及び前記回転速度と、ｄ軸の前記高調波磁束及びｑ軸の前記高調波磁束との関係を定めた４次元マップを備えており、前記高調波磁束演算部は、前記４次元マップを参照することにより、前記ｄ軸の実電流、前記ｑ軸の実電流、前記回転角度、及び前記回転速度に基づいて、ｄ軸の前記高調波磁束及びｑ軸の前記高調波磁束をマップ演算することが好ましい。

上記構成によれば、４次元マップには回転速度を入力できるようにしていることから、回転速度に応じた高調波磁束の振幅の減少や回転速度に応じた高調波磁束の位相の遅れ等を考慮した４次元マップを設定することができる。高調波磁束演算部は、例えば、ｄ軸の実電流、ｑ軸の実電流、及び回転角度と、ｄ軸の高調波磁束及びｑ軸の高調波磁束との関係を定めた３次元マップを参照する場合と比べて、ｄ軸の実電流、ｑ軸の実電流、回転角度、及び回転速度に基づいて好適な高調波磁束を演算することができる。

上記課題を解決するモータ装置で用いるマップの設定方法は、前記回転角度及び前記回転速度の変化を測定する測定ステップと、前記測定ステップで測定された前記回転速度の変化量を示す回転速度変動を検出する変動検出ステップと、前記変動検出ステップで検出された前記回転速度変動に慣性モーメントを示す所定係数を乗算することによりトルクリプルを推定する推定ステップと、前記推定ステップで推定された前記トルクリプルに基づいて前記高調波磁束を演算するマップを生成するマップ生成ステップとを含み、前記マップは、前記回転角度及び前記回転速度と前記高調波磁束との関係を定めている。

上記方法によれば、変動検出ステップでは、測定ステップで測定された回転角度及び回転速度の変化量を示す回転速度変動を検出する。トルクリプルと回転速度変動との間には所定の関係が存在する。すなわち、トルクリプルは、回転速度変動の時間微分に慣性モーメントを示す所定係数を乗算した値である。このため、推定ステップでは、変動検出ステップで検出した回転速度変動からトルクリプルを推定することができる。そして、推定ステップで推定されたトルクリプルに基づいてトルクリプルを低減するための高調波磁束を演算することができる。これにより、回転角度及び回転速度と高調波磁束との関係を求めることができるため、高調波磁束を演算するためのマップを生成することができる。

本発明のモータ装置及びマップの設定方法によれば、トルクリプルを低減できる。

モータ装置の概略構成を示す図。 モータ装置の概略構成を示す斜視図。 高調波磁束演算部の概略構成を示す図。 （ａ），（ｂ）は、相電圧の歪みを示す図。 マップの設定の手順を示すチャート。

モータ制御装置の一実施形態を図面に従って説明する。
図１は、本実施形態におけるモータ装置１の構成を示している。モータ装置１は、モータ１０と、インバータ回路ＩＮＶと、モータ制御装置２０とを備えている。モータ装置１は、例えば、車両の電動パワーステアリング装置に搭載されるものである。モータ１０は、３相モータである。モータ１０には、例えば、極数が１０、スロット数が１２の表面磁石同期電動機（ＳＰＭＳＭ）が採用されている。モータ１０は、ユーザによるステアリング操作に応じて転舵輪を転舵するためのアシストトルクを生成する。

図２に示すように、モータ装置１は、モータ１０と、インバータ回路ＩＮＶと、モータ制御装置２０とが一体化した、所謂、モータコントロールユニットである。モータ装置１のハウジングの内部には、モータ１０、インバータ回路ＩＮＶ、及びモータ制御装置２０が収容されている。また、モータ制御装置２０は、回転角度センサ１２を備えている。回転角度センサ１２は、モータ制御装置２０を構成するマイコン等の各種の電子部品が実装される制御基板に設けられている。回転角度センサ１２は、モータ１０の回転軸１０ａの回転角度を検出する。

図１に示すように、モータ１０のモータコイルの各端子は、インバータ回路ＩＮＶを介してバッテリ１４に接続されている。インバータ回路ＩＮＶは、バッテリ１４の正極とモータ１０のモータコイルの３個の端子との間をそれぞれ開閉するとともに、バッテリ１４の負極とモータ１０のモータコイルの３個の端子との間をそれぞれ開閉する回路である。

インバータ回路ＩＮＶは、６つのスイッチング素子によって構成されている。スイッチング素子としては、ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）が採用されている。スイッチング素子には、モータ１０のＵ相のモータコイルの端子に接続されるものに「ｕ」、Ｖ相のモータコイルの端子に接続されるものに「ｖ」、Ｗ相のモータコイルの端子に接続されるものに「ｗ」の符号を付している。また、スイッチング素子ＭＯＳＦＥＴには、上側アーム、すなわちバッテリ１４の正極側に「ｐ」を付与している。スイッチング素子には、下側アーム、すなわちバッテリ１４の負極側に「ｎ」を付与している。なお、以下では、「ｕ，ｖ，ｗ」を総括して「￥」と表記して、「ｐ，ｎ」を総括して「＃」と表記している。インバータ回路ＩＮＶは、バッテリ１４の正極とモータ１０のモータコイルの端子との間を開閉するスイッチング素子Ｓ￥ｐと、バッテリ１４の負極とモータ１０のモータコイルの端子との間を開閉するスイッチング素子Ｓ￥ｎとを備えている。スイッチング素子Ｓ￥ｐと、スイッチング素子Ｓ￥ｎとは、直列に接続されている。これらスイッチング素子Ｓ￥＃は、それぞれダイオードＤ￥＃を有している。

モータ１０のモータコイルの各端子とインバータ回路ＩＮＶとの間の接続線には、電流センサ１６が設けられている。電流センサ１６は、接続線を流れるモータ１０の各相の電流値から得られる実電流を検出する。なお、図１では、説明の便宜上、各相の電流センサを１つに纏めて図示している。また、以下では、接続線を流れる各相の実電流を、￥相実電流ｉ￥と表記している。

モータ制御装置２０について説明する。
モータ制御装置２０は、モータ１０を制御対象としている。モータ制御装置２０は、モータ１０に電圧を印加するインバータ回路ＩＮＶを操作する。

モータ制御装置２０は、ｄｑ変換部２２と、回転速度演算部２３と、指令電流設定部２４と、偏差演算部２６，２８と、電流フィードバック制御部３０，３２と、非干渉制御部３４と、ｕｖｗ変換部３６と、ＰＷＭ処理部３８と、デッドタイム生成部４０と、開ループ処理部６０と、電圧補正部６６，６８とを備えている。

ｄｑ変換部２２は、電流センサ１６により検出された３相の実電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗをｄ軸の実電流ｉｄ及びｑ軸の実電流ｉｑに変換する。
回転速度演算部２３は、回転角度センサ１２により検出された回転角度θｅを時間微分することにより、回転速度ωｅを演算する。回転角度センサ１２により検出された回転角度θｅは電気角であり、回転速度ωｅは電気角速度である。

指令電流設定部２４は、モータ１０の生成するトルクの指令値であるトルク指令値Ｔｒｑ＊及び回転速度ωｅに基づいて、ｄ軸の指令電流ｉｄ＊及びｑ軸の指令電流ｉｑ＊を設定する。指令電流設定部２４は、ｑ軸の指令電流ｉｑ＊を、トルク指令値Ｔｒｑ＊の絶対値が大きいほどその絶対値が大きくなるように設定する。一方、指令電流設定部２４は、ｄ軸の指令電流ｉｄ＊を、回転速度ωｅの絶対値が所定速度以上となる場合、その絶対値がゼロよりも大きい値となるように設定する。指令電流設定部２４は、回転速度ωｅの絶対値が所定速度以上の領域において、回転速度ωｅが大きくなるほどその絶対値が大きくなるように設定する。ｄ軸の指令電流ｉｄ＊は、周知の弱め界磁制御を行うためのものである。

偏差演算部２６は、ｄ軸の指令電流ｉｄ＊からｄ軸の実電流ｉｄを減算した偏差を演算する。偏差演算部２８は、ｑ軸の指令電流ｉｑ＊からｑ軸の実電流ｉｑを減算した偏差を演算する。電流フィードバック制御部３０は、ｄ軸の指令電流ｉｄ＊にｄ軸の実電流ｉｄを追従させるべくｄ軸の実電流ｉｄの電流フィードバック制御を実行することにより、電流フィードバック制御するための操作量としてｄ軸の電圧を演算する。すなわち、電流フィードバック制御部３０は、ｄ軸の指令電流ｉｄ＊と実電流ｉｄとの偏差を無くすように、ｄ軸の電圧を演算する。電流フィードバック制御部３２は、ｑ軸の指令電流ｉｑ＊にｑ軸の実電流ｉｑを追従させるべくｑ軸の実電流ｉｑの電流フィードバック制御を実行することにより、電流フィードバック制御するための操作量としてｑ軸の電圧を演算する。すなわち、電流フィードバック制御部３２は、ｑ軸の指令電流ｉｑ＊とｑ軸の実電流ｉｑとの偏差を無くすように、ｑ軸の電圧を演算する。本実施形態では、電流フィードバック制御部３０，３２は、電流フィードバック制御として比例要素及び積分要素を用いたＰＩ制御を実行する。

非干渉制御部３４は、電流フィードバック制御部３０，３２により演算されたｄ軸の電圧及びｑ軸の電圧を、非干渉項と誘起電圧補償項とにより補正したものを最終的なｄ軸の指令電圧ｖｄ＊及びｑ軸の指令電圧ｖｑ＊として出力する。ここで、非干渉項とは、ｄ軸の実電流ｉｄ及びｑ軸の実電流ｉｑに基づく開ループ操作量である。また、誘起電圧補償項とは、回転速度ωｅに基づく開ループ操作量である。これらは周知のため、これ以上の記載を省略する。なお、特許請求の範囲に記載した指令電圧演算部は、電流フィードバック制御部３０，３２及び非干渉制御部３４に相当する。

ｕｖｗ変換部３６は、ｄ軸の指令電圧ｖｄ＊及びｑ軸の指令電圧ｖｑ＊を３相の指令電圧ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊に変換する。ＰＷＭ処理部３８は、３相の指令電圧ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊に基づき、３相のＰＷＭ信号ｇｕ，ｇｖ，ｇｗを生成する。デッドタイム生成部４０は、ＰＷＭ信号ｇ￥に基づき、スイッチング素子Ｓ￥＃の操作信号ｇ￥＃を生成し、インバータ回路ＩＮＶに出力する。ＰＷＭ信号ｇ￥は、上側アームのスイッチング素子Ｓ￥ｐのオン期間、及び下側アームのスイッチング素子Ｓ￥ｎのオン期間を規定する。ＰＷＭ信号ｇ￥＃には、上側アームのスイッチング素子Ｓ￥ｐと下側アームのスイッチング素子Ｓ￥ｎとのいずれか一方がオフ操作からオン操作に切り替わるに先立って、他方がオフ操作されるようにデットタイムが付与されている。なお、特許請求の範囲に記載した操作処理部は、ｕｖｗ変換部３６、ＰＷＭ処理部３８、及びデッドタイム生成部４０に相当する。

開ループ処理部６０には、ｄ軸の実電流ｉｄ、ｑ軸の実電流ｉｑ、回転角度θｅ、及び回転速度ωｅが入力される。開ループ処理部６０は、ｄ軸の実電流ｉｄ、ｑ軸の実電流ｉｑ、回転角度θｅ、及び回転速度ωｅに基づいて、ｄ軸の指令電圧ｖｄ＊を補正するためのｄ軸の補正電圧ｖｄｈを演算するとともに、ｑ軸の指令電圧ｖｑ＊を補正するためのｑ軸の補正電圧ｖｑｈを演算する。ｄ軸の補正電圧ｖｄｈ及びｑ軸の補正電圧ｖｑｈは、モータ１０に流れる実電流の絶対値が大きくなる場合に、ステータコイルのインダクタンスの磁気飽和に起因した空間高調波によってモータ１０に流れる実電流が基本波からずれることを抑制するためのものである。ここで、ｄ軸の補正電圧ｖｄｈ及びｑ軸の補正電圧ｖｑｈは、開ループ制御量である。

具体的には、開ループ処理部６０は、高調波磁束演算部６２と、補正電圧演算部６４とを備えている。
図３に示すように、高調波磁束演算部６２には、ｄ軸の実電流ｉｄ、ｑ軸の実電流ｉｑ、回転角度θｅ、及び回転速度ωｅが入力される。高調波磁束演算部６２は、ｄ軸の実電流ｉｄ、ｑ軸の実電流ｉｑ、回転角度θｅ、及び回転速度ωｅに基づいて、高調波磁束λｄｈ，λｑｈを演算する。高調波磁束演算部６２は、ｄ軸の実電流ｉｄ、ｑ軸の実電流ｉｑ、回転角度θｅ、及び回転速度ωｅと、ｄ軸の高調波磁束λｄｈ及びｑ軸の高調波磁束λｑｈとの関係を定めた４次元マップＭを備えている。４次元マップＭは、高調波磁束演算部６２の記憶部に記憶されている。記憶部は、図示しないメモリの所定の記憶領域である。４次元マップＭは、例えば、ｄ軸の実電流ｉｄ、ｑ軸の実電流ｉｑ、及び回転角度θｅの３次元マップが、回転速度ωｅ毎に複数用意されたものである。この４次元マップＭは、モータ１０に定常的に基本波電流を流した際におけるｄ軸の実電流ｉｄ、ｑ軸の実電流ｉｑ、回転角度θｅ、及び回転速度ωｅの組毎に高調波磁束λｄｈ，λｑｈを求めることで生成されたものである。４次元マップＭの設定方法については後述する。４次元マップＭでは、ｄ軸の実電流ｉｄの絶対値が大きいほど、またｑ軸の実電流ｉｑの絶対値が大きいほど、ｄ軸の高調波磁束λｄｈ及びｑ軸の高調波磁束λｑｈの絶対値が大きくなる。なお、４次元マップＭに入力される回転角度θｅの角度範囲は、例えば、「０～６０°」の範囲とする。これは、６次の高調波、およびその定数倍の高調波を低減することを狙ったための設定である。

図４（ａ）に、モータ１０に基本波電流を流した際のモータ１０のモータコイルの各端子に印加される電圧である相電圧ｖｕ，ｖｖ，ｖｗの推移を示す。図示されるように、この場合、相電圧ｖｕ，ｖｖ，ｖｗは基本波に対して歪みを有する。図４（ｂ）に、図４（ａ）の相電圧ｖ￥の歪率を定量化して示す。ここで、歪率は、基本波の実効値に対する高調波の実効値の百分率にて定量化されている。図示されるように、歪率が大きくなるのは、ｕｖｗの固定座標系において、３次、５次、７次、１１次、および１３次である。ここで、３次の成分は実際にはトルクリップル等に寄与しない。一方、３次および５次の高調波成分は、回転座標系では６次の高調波成分となり、１１次および１３次の高調波成分は、回転座標系では、１２次の高調波成分となる。このため、本実施形態では、６次の高調波およびその倍数の高調波成分をターゲットとする。ここで、６次の高調波は、「６０°」を周期とするものであり、その倍数の高調波は、「６０°」の約数を周期とするものである。このため、マップの入力変数としての回転角度θｅの領域は、「６０°」となる。

図３に示すように、高調波磁束演算部６２は、４次元マップＭを参照することにより、ｄ軸の実電流ｉｄ、ｑ軸の実電流ｉｑ、回転角度θｅ、及び回転速度ωｅに基づいて、ｄ軸の高調波磁束λｄｈ及びｑ軸の高調波磁束λｑｈをマップ演算する。

図１に示すように、補正電圧演算部６４は、高調波磁束演算部６２により演算されたｄ軸の高調波磁束λｄｈ及びｑ軸の高調波磁束λｑｈと、回転速度ωｅとに基づいて、下記の式（ｃ１）を用いてｄ軸の補正電圧ｖｄｈ及びｑ軸の補正電圧ｖｑｈを算出する。なお、式（ｃ１）の導出については、＜補正電圧の導出について＞の欄に記載する。

電圧補正部６６は、非干渉制御部３４により演算されたｄ軸の指令電圧ｖｄ＊にｄ軸の補正電圧ｖｄｈを加算することで、ｄ軸の指令電圧ｖｄ＊を補正してｕｖｗ変換部３６に出力する。電圧補正部６８は、非干渉制御部３４により演算されたｑ軸の指令電圧ｖｑ＊にｑ軸の補正電圧ｖｑｈを加算することで、ｑ軸の指令電圧ｖｑ＊を補正してｕｖｗ変換部３６に出力する。

モータ制御装置２０は、マップ設定部１００を更に備えている。マップ設定部１００には、ｄ軸の実電流ｉｄ、ｑ軸の実電流ｉｑ、回転角度θｅ、及び回転速度ωｅが入力される。マップ設定部１００は、ｄ軸の実電流ｉｄ、ｑ軸の実電流ｉｑ、回転角度θｅ、及び回転速度ωｅに基づいて、上記４次元マップＭを生成する。マップ設定部１００は、生成した４次元マップＭを開ループ処理部６０の高調波磁束演算部６２に出力することで、４次元マップＭを設定する。４次元マップＭの設定方法については、＜４次元マップＭの設定方法について＞の欄に記載する。

＜補正電圧の導出について＞
以下、上記の式（ｃ１）を導出する。まず、ｄｑ軸上での電圧方程式は、下記の式（ｃ２）となる。

ただし、式（ｃ２）においては、ｄ軸の抵抗Ｒｄ、ｑ軸の抵抗Ｒｑ、微分演算子ｐ、永久磁石による磁束のｄ軸成分Φｍｄおよびｑ軸成分Φｍｑ、ｄ軸のインダクタンスＬｄ，ｑ軸のインダクタンスＬｑを用いた。ここで、磁束λｄ，λｑは、「λｄ＝Φｍｄ＋Ｌｄ・ｉｄ，λｑ＝Φｍｑ＋Ｌｑ・ｉｑ」と定義でき、また、ｄｑ軸の磁束λｄ，λｑは、基本波成分λｄＤＣ，λｑＤＣと、高調波成分λｄ（６θ），λｑ（６θ），λｄ（１２θ），λｑ（１２θ）等とに分解できることから、以下の式（ｃ３）が成立する。

上記の式（ｃ３）におけるｄ軸の電圧ｖｄ及びｑ軸の電圧ｖｑが基本波電圧とｄ軸の補正電圧ｖｄｈ及びｑ軸の補正電圧ｖｑｈとの和であるとして、且つｄ軸の実電流ｉｄ及びｑ軸の実電流ｉｑを基本波電流とすると、ｄ軸の補正電圧ｖｄｈ及びｑ軸の補正電圧ｖｑｈは、下記の式（ｃ４）にて表現される。

このように導出された上記の式（ｃ４）は、上記の式（ｃ１）と同一である。

＜４次元マップＭの設定方法について＞
４次元マップＭの設定は、モータ装置１が車両の電動パワーステアリング装置に搭載される前に実行される。このため、例えば、４次元マップＭの設定は、モータ装置１の工場出荷前に実行される。

４次元マップＭの設定にあたっては、まず、４次元マップＭの設定対象であるモータ装置１を、工場における所定のマップ設定エリアに設置する。このマップ設定エリアは、モータ装置１に対して電力を供給できるのであれば、工場内のどのような場所であってもよい。これは、モータ装置１が、４次元マップＭを設定するために必要となる情報を検出するための回転角度センサ１２を自身で備えているためである。そして、図２に示すように、モータ装置１をマップ設定エリアに設置した後、モータ装置１はマップ設定用制御装置１１０に接続される。マップ設定用制御装置１１０は、４次元マップＭを設定する際に電力を供給するバッテリを備えている。４次元マップＭを設定する際には、マップ設定用制御装置１１０のバッテリが図１のバッテリ１４として機能する。そして、４次元マップＭの設定の準備完了後、マップ設定用制御装置１１０は、モータ装置１に対して４次元マップＭの設定を開始する旨の信号を出力する。モータ装置１のモータ制御装置２０は、４次元マップＭの設定を開始する旨の信号を取得した場合、図５のフローチャートに示す手順にしたがって４次元マップＭの設定を実行する。

図５に示すように、モータ制御装置２０は、測定ステップを実行する（ステップＳ１）。測定ステップにおいて、モータ制御装置２０は、モータ１０に定常的に基本波電流を流した際におけるｄ軸の実電流ｉｄ、ｑ軸の実電流ｉｑ、回転角度θｅ、及び回転速度ωｅを測定する。モータ１０は、定常的に基本波電流を流した際、すなわち一定のｄ軸の指令電流ｉｄ＊及びｑ軸の指令電流ｉｑ＊によって実電流を流すことで回転する。この場合、トルクリプルが発生していなければ、モータ１０は一定の負荷で回転することになるため、モータ１０の回転は一定の加速度で加速することになる。モータ１０は、モータ装置１が電動パワーステアリング装置に搭載された場合に回転軸１０ａが回転することのできる角度範囲に応じた角度範囲で回転する。マップ設定部１００には、回転角度センサ１２により検出された回転角度θｅの変化、及び回転速度演算部２３により演算された回転速度ωｅの変化が入力される。また、マップ設定部１００には、ｄ軸の実電流ｉｄ及びｑ軸の実電流ｉｑの変化が入力される。マップ設定部１００は、ｄ軸の実電流ｉｄ、ｑ軸の実電流ｉｑ、回転角度θｅ、及び回転速度ωｅの組毎に測定データを用意する。

マップ設定部１００は、測定ステップの終了後、変動検出ステップを実行する（ステップＳ２）。変動検出ステップにおいて、マップ設定部１００は、回転速度ωｅの変化に基づいて、回転速度ωｅの変動である回転速度変動を検出する。トルクリプルが発生していなければ、モータ１０は一定の負荷で回転することから、回転速度ωｅの絶対値は一定の変化量で変化することになる。しかし、トルクリプルが発生した場合には、モータ１０が回転速度ωｅの絶対値が一定の変化量で変化するという回転速度ωｅの関係が崩れることになる。このため、トルクリプルが発生していない場合の回転速度ωｅとトルクリプルが発生している場合の回転速度ωｅとの間に乖離が生じる。

変動検出ステップにおいて、マップ設定部１００は、回転速度変動を示す情報として、当該回転速度変動の振幅、及び当該回転速度変動の位相を回転速度変動毎に記憶する。なお、回転速度変動の振幅は、トルクリプルが発生していない場合の回転速度ωｅとトルクリプルが発生している場合の回転速度ωｅとの偏差である。また、回転速度変動の位相は、回転速度変動が生じている回転角度θｅの位置である。

マップ設定部１００は、変動検出ステップの終了後、推定ステップを実行する（ステップＳ３）。ここで、トルクリプルは、回転速度変動の時間微分に慣性モーメントを示す所定係数を乗算した値である。このため、トルクリプルと回転速度変動との間には所定の関係が存在する。そこで、推定ステップにおいて、マップ設定部１００は、変動検出ステップで検出された回転速度変動に基づいて、ｄ軸の実電流ｉｄ、ｑ軸の実電流ｉｑ、回転角度θｅ、及び回転速度ωｅの組毎にトルクリプルを推定する。

マップ設定部１００は、推定ステップの終了後、マップ生成ステップを実行する（ステップＳ４）。マップ生成ステップにおいて、マップ設定部１００は、推定ステップで推定されたトルクリプルに基づいて、高調波磁束を演算する４次元マップＭを生成する。具体的には、マップ設定部１００は、トルクリプルが最小となることが推定されるｄ軸の高調波磁束λｄｈ及びｑ軸の高調波磁束λｑｈを演算する。マップ設定部１００は、これらのｄ軸の高調波磁束λｄｈ及びｑ軸の高調波磁束λｑｈを、ｄ軸の実電流ｉｄ、ｑ軸の実電流ｉｑ、回転角度θｅ、及び回転速度ωｅの組毎に演算する。マップ設定部１００は、これらの演算結果を纏めることで４次元マップＭを生成する。マップ設定部１００は、４次元マップＭの生成後、生成した４次元マップＭを開ループ処理部６０の高調波磁束演算部６２に出力する。高調波磁束演算部６２は、マップ設定部１００により生成された４次元マップＭを記憶部に記憶して４次元マップＭを設定する。このようにして、ｄ軸の実電流ｉｄ、ｑ軸の実電流ｉｑ、回転角度θｅ、及び回転速度ωｅと、ｄ軸の高調波磁束λｄｈ及びｑ軸の高調波磁束λｑｈとの関係を定めた４次元マップＭが高調波磁束演算部６２に設定される。

高調波磁束演算部６２への４次元マップＭの設定後、モータ装置１とマップ設定用制御装置１１０との間の接続が解除される。このようにして４次元マップＭが設定されたモータ装置１は、工場から出荷されて、車両の電動パワーステアリング装置に搭載される。

本実施形態の作用を説明する。
開ループ処理部６０は、ｄ軸の高調波磁束λｄｈ及びｑ軸の高調波磁束λｑｈを用いて、ｄ軸の指令電圧ｖｄ＊及びｑ軸の指令電圧ｖｑ＊を演算するようにしている。ｄ軸の高調波磁束λｄｈ及びｑ軸の高調波磁束λｑｈの演算に際しては、回転角度だけでなく、回転速度ωｅを用いて、ｄ軸の高調波磁束λｄｈ及びｑ軸の高調波磁束λｑｈを演算している。空間高調波に起因したトルクリプルは回転速度変動に基づいて推定することができることから、回転速度ωｅに基づいてトルクリプルを低減するためのｄ軸の補正電圧ｖｄｈ及びｑ軸の補正電圧ｖｑｈを演算することができる。ここで、ｄ軸の補正電圧ｖｄｈ及びｑ軸の補正電圧ｖｑｈは、モータ１０に基本波電流を流した際にトルクリプルを最小とするように求めたものである。このため、非干渉制御部３４により演算されたｄ軸の指令電圧ｖｄ＊に開ループ処理部６０により演算されたｄ軸の補正電圧ｖｄｈを重畳し、非干渉制御部３４により演算されたｑ軸の指令電圧ｖｑ＊に開ループ処理部６０により演算されたｑ軸の補正電圧ｖｑｈを重畳することで、モータ１０に流れる実電流を基本波電流に近付けることができる。モータ１０に流れる実電流を基本波電流に近付けることができるため、開ループ処理部６０に入力されるｄ軸の実電流ｉｄ及びｑ軸の実電流ｉｑも基本波電流に近いものとなる。

本実施形態の効果を説明する。
（１）トルクリプルが低減するように補正している対象は、電流フィードバック制御に用いられるｄ軸の指令電流ｉｄ＊及びｑ軸の指令電流ｉｑ＊ではなく、ｄ軸の指令電圧ｖｄ＊及びｑ軸の指令電圧ｖｑ＊である。このため、電流フィードバック制御のフィードバックループの応答速度を指令電流に実電流を追従させることができる程度に設定したとしても、ｄ軸の指令電圧ｖｄ＊及びｑ軸の指令電圧ｖｑ＊を補正することで、トルクリプルを低減することができる。

（２）特に、高速回転速度領域では、鎖交磁束が基本波からずれることによる空間高調波に起因したトルクリプルが目立たないものとなり、実電流が大きくなるときの磁気飽和による空間高調波に起因したトルクリプルが顕著となりやすい。特に、磁気飽和による空間高調波に起因したトルクリプルは、モータ装置１の機械構成やモータ装置１が搭載される電動パワーステアリング装置の機械構成の共振周波数と一致して異音を発生させるおそれがある。本実施形態では、ｄ軸の指令電圧ｖｄ＊及びｑ軸の指令電圧ｖｑ＊をｄ軸の補正電圧ｖｄｈ及びｑ軸の補正電圧ｖｑｈによって補正するため、モータ１０に流れる実電流を基本波電流に近付けることができて、高速回転速度領域についても、空間高調波に起因したトルクリプルを低減することができる。

（３）４次元マップＭには回転速度ωｅを入力できるようにしていることから、回転速度ωｅに応じた高調波磁束の振幅の減少や回転速度ωｅに応じた高調波磁束の位相の遅れ等を考慮した４次元マップＭを設定することができる。高調波磁束演算部６２は、例えば、ｄ軸の実電流ｉｄ、ｑ軸の実電流ｉｑ、及び回転角度θｅと、ｄ軸の高調波磁束λｄｈ及びｑ軸の高調波磁束λｑｈとの関係を定めた３次元マップを参照する場合と比べて、ｄ軸の実電流ｉｄ、ｑ軸の実電流ｉｑ、回転角度θｅ、及び回転速度ωｅに基づいて好適な高調波磁束を演算することができる。

（４）マップ設定部１００は、トルクリプルをトルク変動から検出するのではなく、トルクリプルを回転速度変動から推定するようにしている。高調波磁束を演算する４次元マップＭを生成するために必要となる情報は、回転角度センサ１２を通じて測定することができる回転速度変動である。この回転速度変動は、モータ制御装置２０が備える回転角度センサ１２を通じて得ることができる。この回転角度センサ１２は、モータ１０に電圧を印加するにあたって必要になる回転角度θｅを検出するために、そもそも設けられるセンサである。このため、マップ設定部１００が４次元マップＭを生成するにあたって、トルクリプルを検出するためのトルク計などのセンサを別途設ける場合と比べて、４次元マップＭを生成する際に必要となる構成を少なくすることができる。

（５）測定ステップでモータ１０の回転速度ωｅの変化を測定するにあたって、モータ１０は自身で回転するようにしている。このため、マップ設定部１００が４次元マップＭを生成するにあたって、モータ１０の回転軸１０ａを回転させるための外付けモータを別途設ける場合と比べて、４次元マップＭを生成する際に必要となる構成を少なくすることができる。

（６）変動検出ステップでは、測定ステップで測定されたモータ１０の回転速度の変化に基づいて、回転速度変動を検出する。トルクリプルと回転速度変動との間には所定の関係が存在する。すなわち、トルクリプルは、回転速度変動の時間微分に慣性モーメントを示す所定係数を乗算した値である。このため、推定ステップでは、変動検出ステップで検出した回転速度変動からトルクリプルを推定することができる。そして、推定ステップで推定されたトルクリプルに基づいてトルクリプルを低減するためのｄ軸の高調波磁束λｄｈ及びｑ軸の高調波磁束λｑｈを演算することができる。これにより、回転角度θｅ及び回転速度ωｅとｄ軸の高調波磁束λｄｈ及びｑ軸の高調波磁束λｑｈとの関係を求めることができるため、ｄ軸の高調波磁束λｄｈ及びｑ軸の高調波磁束λｑｈを演算するための４次元マップＭを生成することができる。

上記実施形態は次のように変更してもよい。また、以下の他の実施形態は、技術的に矛盾しない範囲において、互いに組み合わせることができる。
・高調波磁束演算部６２は、ｄ軸の高調波磁束λｄｈ及びｑ軸の高調波磁束λｑｈを演算する際、ｄ軸の実電流ｉｄに代えてｄ軸の指令電流ｉｄ＊を用い、ｑ軸の実電流ｉｑに代えてｑ軸の指令電流ｉｑ＊を用いるようにしてもよい。また、トルク指令値Ｔｒｑ＊とｑ軸の指令電流ｉｄ＊との間に相関関係がある場合や、回転速度ωｅとｄ軸の指令電流ｉｄ＊との間に相関関係がある場合がある。この場合、高調波磁束演算部６２は、ｄ軸の高調波磁束λｄｈ及びｑ軸の高調波磁束λｑｈを演算する際、ｑ軸の実電流ｉｑに代えてトルク指令値Ｔｒｑ＊を用い、ｄ軸の実電流ｉｄに代えて回転速度ωｅを用いるようにしてもよい。

・高調波磁束演算部６２は、ｄ軸の高調波磁束λｄｈ及びｑ軸の高調波磁束λｑｈを演算する際、ｄ軸の実電流ｉｄ、ｑ軸の実電流ｉｑ、回転角度θｅ、及び回転速度ωｅに加えて、回転速度ωｅの変化量である回転加速度等のパラメータを用いるようにしてもよい。

・高調波磁束演算部６２は、ｄ軸の高調波磁束λｄｈ及びｑ軸の高調波磁束λｑｈを演算する際に、回転座標系の値ではなく、固定２相座標系や固定３相座標系の値を用いるようにしてもよい。

・高調波磁束演算部６２は、ｄ軸の高調波磁束λｄｈ及びｑ軸の高調波磁束λｑｈを演算する際、電気角である回転角度θｅに代えて機械角である回転角度を用いるようにしてもよい。また、高調波磁束演算部６２は、ｄ軸の高調波磁束λｄｈ及びｑ軸の高調波磁束λｑｈを演算する際、電気角である回転角度θｅの変化量である回転速度ωｅに代えて、機械角である回転角度の変化量である回転速度を用いるようにしてもよい。これは、補正電圧演算部６４についても同様である。

・上記実施形態では、６次のトルクリプルを低減するためのｄ軸の補正電圧ｖｄｈ及びｑ軸の補正電圧ｖｑｈを演算するようにしたが、１２次のトルクリプル等の他の次数のトルクリプルを低減するようにしてもよい。

・４次元マップＭは、モータ制御装置２０のマップ設定部１００によって生成するようにしたが、例えばマップ設定用制御装置１１０等のモータ制御装置２０とは別の制御装置によって生成するようにしてもよい。この場合、モータ制御装置２０は、マップ設定部１００を備えていなくてよい。別の制御装置は、生成したマップをモータ制御装置２０に対して出力し、高調波磁束演算部６２は取得したマップを記憶部に記憶する。

・モータ１０とは別の外付けモータをモータ１０の回転軸１０ａに取り付けるようにしてもよい。この場合、測定ステップでは、モータ１０自身で回転軸１０ａを回転させるのではなく、外付けモータで回転軸１０ａを回転させるようにすることができる。

・モータ制御装置２０は、回転角度センサ１２を備えていなくてもよい。この場合、例えば、外付けの回転角度センサをモータ制御装置２０に接続するようにしてもよい。測定ステップでは、外付けの回転角度センサによって回転角度θｅ及び回転速度ωｅの変化を検出する。また、例えば、回転軸１０ａの位置を検出するエンコーダ等の位置センサを接続するようにしてもよい。位置センサは、回転軸１０ａの位置を検出することを通じて、回転角度θｅを検出する。測定ステップでは、位置センサによって回転角度θｅ及び回転速度ωｅの変化を検出する。

・モータ制御装置２０が回転角度センサ１２を備えている場合であっても、外付けの回転角度センサや位置センサをモータ制御装置２０に接続するようにしてもよい。この場合、測定ステップでは、回転角度センサ１２に代えて、外付けの回転角度センサや、位置センサによって、回転角度θｅ及び回転速度ωｅの変化を検出する。

・測定ステップでは、モータ装置１が車両の電動パワーステアリング装置に搭載される前に４次元マップＭを設定するようにしたが、モータ装置１が車両の電動パワーステアリング装置に搭載された後に４次元マップＭを設定するようにしてもよい。この場合、測定ステップは、電動パワーステアリング装置のステアリングホイールを右に最大限操舵した状態から左に最大限操舵した状態まで操舵したときのモータ１０の回転軸１０ａが回転することのできる角度範囲で実行されることになる。

・マップ設定部１００は、推定ステップにおいて、回転速度変動に加えて、例えば実電流等の他のパラメータに基づいて、トルクリプルを推定するようにしてもよい。
・マップ設定部１００は、マップ生成ステップにおいて、トルクリプルに加えて、例えば実電流等の他のパラメータに基づいて、４次元マップＭを生成するようにしてもよい。

・モータ制御装置２０は、異常検出部を備えるようにしてもよい。この場合、異常検出部は、回転速度変動を常時監視し、当該回転速度変動が回転速度変動の最大値を示す閾値を超える場合に、モータ１０に異常があったことを検出する。閾値は、例えば、４次元マップＭを設定する際に検出された回転速度変動の最大値に設定される。なお、モータ１０の異常としては、例えば、ロータに設けられている永久磁石の減磁や脱落、モータコイルの劣化等が考えられる。

・モータ１０は、ＳＰＭＳＭに限らず、埋込磁石同期モータであってもよい。なお、永久磁石同期モータにも限らず、たとえば巻線界磁型同期モータやリラクタンスモータ等であってもよい。

・インバータ回路ＩＮＶは、例えば、３レベルインバータ回路であってもよいし、モータ１０のモータコイルの各端子にＤＣＤＣコンバータと同様の回路構成の回路を接続したものであってもよい。

・モータ装置１は、電動パワーステアリング装置に搭載されるものに限らず、例えばステアバイワイヤ装置に搭載されるものであってもよいし、発電機として用いられるものであってもよい。

上記実施形態及び上記他の実施形態から把握できる技術的思想について、それらの効果とともに以下に追記する。
（イ）前記指令電流、前記指令電圧、前記高調波磁束、及び前記補正電圧は、回転座標系における値であり、前記高調波磁束演算部は、前記高調波磁束の微分演算に基づき前記補正電圧を演算するモータ制御装置。上記構成によれば、回転座標系を用いることで、基本波成分を直流成分として扱うことができることから、補正電圧を容易に演算することができる。

１…モータ装置
１０…モータ
２０…モータ制御装置
ＩＮＶ…インバータ回路
６０…開ループ処理部
６２…高調波磁束演算部
６４…補正電圧演算部
１００…マップ設定部
ｖｄ＊，ｖｑ＊…ｄ軸、ｑ軸の指令電圧
ｖｄｈ，ｖｑｈ…ｄ軸、ｑ軸の補正電圧
λｄｈ，λｑｈ…ｄ軸、ｑ軸の高調波磁束
Ｍ…４次元マップ

Claims (4)

1. 車両のステアリング装置に搭載され、前記ステアリング装置に対してトルクを付与するように、当該ステアリング装置が有するモータを動作させるべく当該モータに電圧を印加するインバータ回路を制御するモータ制御装置と、前記モータの回転角度を検出する回転角度センサとを備えたモータ装置であって、
   前記モータ制御装置は、
   指令電流に前記モータに流れる実電流を追従させる電流フィードバック制御するための操作量として指令電圧を演算する指令電圧演算部と、
   前記指令電圧演算部により演算された前記指令電圧に基づいて、前記モータに印加する電圧が前記指令電圧となるように前記インバータ回路を操作する操作処理部と、
   前記指令電圧を補正するための高調波電圧を補正電圧として設定する開ループ処理部とを備え、
   前記開ループ処理部は、
   前記回転角度及び前記回転角度の変化量である回転速度に基づいて、高調波磁束を演算する高調波磁束演算部と、
   前記高調波磁束演算部により演算された前記高調波磁束に基づいて、前記補正電圧を演算する補正電圧演算部とを有し、
   前記操作処理部は、前記補正電圧演算部により演算された前記補正電圧によって補正された前記指令電圧に基づいて、前記インバータ回路を操作し、
   前記モータ制御装置は、前記回転角度及び前記回転速度と前記高調波磁束との関係を示すマップを設定するマップ設定部をさらに備え、
   前記マップ設定部は、前記回転角度センサにより検出された前記回転角度により得られた前記回転速度の変化量を示す回転速度変動を検出し、当該回転速度変動に慣性モーメントを示す所定係数を乗算することによりトルクリプルを推定し、当該トルクリプルに基づいて前記高調波磁束を演算するための前記マップを生成し、当該マップを前記高調波磁束演算部が参照できるように設定するモータ装置。
2. 前記開ループ処理部は、前記モータに流れる実電流を基本波電流とする場合に当該モータに印加される高調波電圧を前記補正電圧とする請求項１に記載のモータ装置。
3. 前記高調波磁束演算部は、ｄ軸の実電流、ｑ軸の実電流、前記回転角度、及び前記回転速度と、ｄ軸の前記高調波磁束及びｑ軸の前記高調波磁束との関係を定めた４次元マップを備えており、
   前記高調波磁束演算部は、前記４次元マップを参照することにより、前記ｄ軸の実電流、前記ｑ軸の実電流、前記回転角度、及び前記回転速度に基づいて、ｄ軸の前記高調波磁束及びｑ軸の前記高調波磁束をマップ演算する請求項１または２に記載のモータ装置。
4. 請求項１～３のいずれか一項に記載のモータ装置の前記開ループ処理部で用いるマップの設定方法であって、
   前記回転角度及び前記回転速度の変化を測定する測定ステップと、
   前記測定ステップで測定された前記回転速度の変化量を示す回転速度変動を検出する変動検出ステップと、
   前記変動検出ステップで検出された前記回転速度変動に慣性モーメントを示す所定係数を乗算することによりトルクリプルを推定する推定ステップと、
   前記推定ステップで推定された前記トルクリプルに基づいて前記高調波磁束を演算するマップを生成するマップ生成ステップとを含み、
   前記マップは、前記回転角度及び前記回転速度と前記高調波磁束との関係を定めているマップの設定方法。