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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Motorsteuervorrichtung für ein elektrisches
Servolenkungssystem, das einen Lenkhilfsvorgang durchführt, indem
ein Drehmoment, das von einem Elektromotor erzeugt wird, an einen
Lenkmechanismus angelegt wird.
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Elektrische
Servolenkungssysteme, die dazu ausgelegt sind, ein Drehmoment, das
von einem Elektromotor wie einem bürstenlosen Dreiphasenmotor
erzeugt wird, an einen Lenkmechanismus anzulegen, um einen Lenkhilfsvorgang
durchzuführen,
sind allgemein bekannt. Eine Motorsteuervorrichtung für ein derartiges elektrisches
Servolenksystem hat eine Konstruktion, wie sie in 4 gezeigt
ist.
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Die
Motorsteuervorrichtung enthält
einen Dreiphasen-Koordinatentransformationsabschnitt 91 zum Konvertieren
eines Strom-Führungswertes
i* (Effektivwert) in Vektoren in einem Dreiphasen-Wechselstromkoordinatensystem,
d.h. eine Strom-Führungsgröße bzw.
ein Strom-Führungswert
iua* für
eine U-Phase und einen Strom-Führungswert
iva* für
eine V-Phase, und zwar auf der Grundlage eines Winkels θre eines Rotors eines Motors M. Der Strom-Führungswert
i* wird bestimmt auf der Grundlage eines Lenkdrehmomentes oder dgl.,
das an ein Lenkrad angelegt ist. Der Rotorwinkel θre wird erfaßt durch eine Rotorwinkel-Erfassungsschaltung 92 auf
der Grundlage eines Ausgangssignals eines Resolvers R, der dem Motor
M zugeordnet vorgesehen ist.
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Der
Strom-Führungswert
iua* für
die U-Phase und der Strom-Führungswert
iva* für
die V-Phase werden an jeweilige Subtrahierer 93u bzw. 93v angelegt.
Ein Ausgang einer U-Strom-Erfassungsschaltung 94u zum Erfassen
eines Stromes iua der U-Phase, der momentan durch eine U-Phase
des Motors M fließt,
und ein Ausgang einer V-Strom-Erfassungsschaltung 94v zum
Erfassen eines Stromes iva der V-Phase,
der momentan durch eine V-Phase des Motors M fließt, werden
an die Subtrahierer 93u bzw. 93v angelegt. Folglich
wird von den Subtrahierern 93u bzw. 93v eine Abweichung
des Stromes iua der U-Phase von dem Strom-Führungswert iua*
für die
U-Phase und eine Abweichung des Stromes iva der
V-Phase von dem Strom-Führungswert
iva* für die
V-Phase ausgegeben.
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Die
von den Subtrahierern 93u bzw. 93v ausgegebenen
Abweichungen werden an einen PI-Steuerabschnitt 95u (PI
= proportional/integral) für
den Strom der U-Phase bzw. an einen PI-Steuerabschnitt 95v für den Strom
der V-Phase angelegt. Ferner empfangen der PI-Steuerabschnitt 95u für den Strom
der U-Phase und der PI-Steuerabschnitt 95v für den Strom
der V-Phase eine Korrekturverstärkung,
die von einem PI-Verstärkungs-Korrekturabschnitt 96 bestimmt
ist, und zwar auf der Grundlage einer Rotorwinkelgeschwindigkeit ωre, die die Veränderungsrate des Rotorwinkels θre darstellt. Der PI-Steuerabschnitt 95u für den Strom
der U-Phase und der PI-Steuerabschnitt 95v für den Strom
der V-Phase bestimmen jeweils einen Spannungs-Führungswert
vua* für
die U-Phase und einen Spannungs-Führungswert
vva* für
die V-Phase, und zwar auf der Grundlage der von den Substrahierern 93u und 93v eingegebenen
Abweichungen und der Korrektorverstärkung, die von dem PI-Verstärkungs-Korrekturabschnitt 96 eingegeben
wird.
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Die
Rotorwinkelgeschwindigkeit ωre wird von einem Rotorwinkelgeschwindigkeit-Berechnungsabschnitt 97 bestimmt
auf der Grundlage des Rotorwinkels θre,
der erfaßt
wird von der Rotorwinkel-Erfassungsschaltung 92.
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Der
Spannungs-Führungswert
vua* für
die U-Phase und der Spannungs-Führungswert
vva* für
die V-Phase werden eingegeben in einen Dreiphasen-PWM-Abschnitt 98 (PWM
= Impulsbreitenmodulation). Der Spannungs-Führungswert vua*
für die
U-Phase und der Spannungs-Führungswert
vva* für
die V-Phase werden ebenfalls eingegeben in einen W-Spannungs-Führungswert-Berechnungsabschnitt 99.
Der W-Spannungs-Führungswert-Berechnungsabschnitt 99 bestimmt
einen Spannungs-Führungswert
vwa* für
eine W-Phase, indem der Spannungs-Führungswert vua*
für die
U-Phase und der Spannungs-Führungswert
vva* für die
V-Phase von Null substrahiert werden, und legt den so berechneten
Spannungs-Führungswert
vwa* für
die W-Phase an den Dreiphasen-PWM- Abschnitt 98 an. Das heißt, der
Dreiphasen-PWM-Abschnitt 98 empfängt den Spannungs-Führungswert
vua* für
die U-Phase, den Spannungs-Führungswert
vva* für
die V-Phase und den Spannungs-Führungswert
vwa* für
die W-Phase, die in den Abschnitt 98 eingegeben werden.
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Der
Dreiphasen-PWM-Abschnitt 98 erzeugt PWM-Signale Su, Sv und Sw, die den Spannungs-Führungswerten vua*,
vva* bzw. vwa* für die Phasen
U, V bzw. W entsprechen, und gibt die so erzeugten PWM-Signale Su, Sv, Sw an
eine Leistungsschaltung P aus. Folglich legt die Leistungsschaltung
P Spannungen vua, vva und
vwa gemäß den PWM-Signalen
Su, Sv und Sw an die U-Phase, die V-Phase bzw. die W-Phase
des Motors M an, der wiederum ein für die Lenkhilfe erforderliches
Drehmoment erzeugt.
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Der
Strom-Führungswert
iua* für
die U-Phase und der Strom-Führungswert
iva* für
die V-Phase variieren sinusförmig
gemäß einer Änderung
des Rotorwinkels θre. Der Strom iua der
U-Phase und der Strom iva der V-Phase sind
sinusförmige
elektrische Ströme,
die sinusförmig
variieren gemäß der Änderung
des Rotorwinkels θre. Bei einer höheren Drehzahl des Motors M
können
der Strom iua für die U-Phase und der Strom
iva für die
V-Phase bzw. Änderungen
dieser Ströme
den Änderungen
des Strom-Führungswertes
iua* für
die U-Phase und des Strom-Führungswertes
iva* für
die V-Phase nicht folgen, so daß zwischen
dem Strom iua der U-Phase und dem Strom-Führungswert
iua* für
die U-Phase bzw. zwischen dem Strom iva der
V-Phase und dem Strom-Führungswert
iva* für
die V-Phase Phasenverschiebungen auftreten können. Wenn derartige Phasenverschiebungen
("phase offsets") auftreten, schafft
es der Motor M nicht, ein Drehmoment geeigneter Amplitude zu erzeugen,
wodurch das Ansprechver halten ("responsiveness") der Lenkhilfe und
das Konvergenzverhalten ("convergence") des Lenkrades verschlechtert
werden. Folglich kann sich das Lenkgefühl verschlechtern.
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Ein
weiteres Problem, das mit der herkömmlichen Motorsteuervorrichtung
einhergeht, besteht in der Schwierigkeit, eine Anomalie wie eine
Verschiebung bzw. einen Versatz ("offset") zu erfassen, was hervorruft, daß ein elektrischer
Strom durch den Motor M fließt,
selbst wenn der Strom-Führungswert
i* Null beträgt.
Das heißt,
der Strom iua der U-Phase und der Strom
iva der V-Phase, bei welchen es sich um
sinusförmige
elektrische Ströme
handelt, werden momentan Null (oder kreuzen Null) in Abhängigkeit
von dem Rotorwinkel θre. Für eine
genaue Erfassung des Versatzes ist es notwendig, den Rotorwinkel θre konstant zu überwachen, um den Strom iua der U-Phase und den Strom iva der
V-Phase zu einem
Zeitpunkt zu bekommen bzw. zu messen, der nicht der Nullkreuzungspunkt
ist, oder, einen Effektivwert des elektrischen Stromes zu berechnen,
der durch den Motor M fließt,
und zwar auf der Grundlage des gemessenen Stromes iua der
U-Phase und des Stromes iva der V-Phase.
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Aus
dem Dokument
US 5,670,854
A ist eine Motorsteuervorrichtung für ein elektrisches Servolenkungssystem
bekannt, das einen Lenkhilfsvorgang durchführt, indem ein Drehmoment,
das von einem Elektromotor erzeugt ist, an einen Lenkmechanismus
angelegt wird.
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Die
Motorsteuervorrichtung aus diesem Dokument beinhaltet Strom-Führungswert-Einstellmittel
zum Einstellen eines Strom-Führungswertes,
der einen elektrischen Strom angibt, der an den Elektromotor anzulegen
ist; d-q-Strom-Führungswert-Einstellmittel
zum Einstellen eines Strom-Führungswertes
in einer d-Achse und
eines Strom-Führungswertes
in einer q-Achse eines d-q-Koordinatensystems,
und zwar auf der Grundlage des durch die Strom-Führungswert-Einstellmittel eingestellten
Strom-Führungswertes;
Spannungssteuermittel zum Steuern einer Spannung, die an den Elektromotor
anzulegen ist, auf der Grundlage des Strom-Führungswertes
in der d-Achse und des Strom-Führungswertes
in der q-Achse, die von den d-q-Strom-Führungswert-Einstellmitteln
eingestellt sind; Strom-Erfassungsmittel zum Erfassen der Dreiphasenwechselströme, die momentan
durch den Elektromotor fließen;
und Dreiphasen/d-q-Koordinatentransformationsmittel zum Konvertieren
der durch die Strom-Erfassungsmittel erfassten Dreiphasenwechselströme in einen
Strom in der d-Achse und einen Strom der q-Achse in dem d-q-Koordinatensystem.
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Es
ist eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Motorsteuervorrichtung
für ein
elektrisches Servolenkungssystem anzugeben, die ein verbessertes
Lenkgefühl
gewährleistet.
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Es
ist eine zweite Aufgabe der Erfindung, eine Motorsteuervorrichtung
für ein
elektrisches Servolenkungssystem anzugeben, die eine leichte Erfassung
einer Anomalie wie eines Versatzes ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird eine
Motorsteuervorrichtung gemäß Anspruch
1 bereitgestellt, und zwar für
ein elektrisches Servolenkungssystem, das einen Lenkhilfsvorgang
durchführt,
indem ein Drehmoment, das von einem Elektromotor (M) erzeugt ist,
an einen Lenkmechanismus (1) angelegt wird, wobei die Motorsteuervorrichtung
aufweist: eine Strom-Führungswert-Einstellschaltung
(61, 62) zum Einstellen eines Strom-Führungswertes
(ia*), der einen elektrischen Strom angibt,
der an den Elektromotor anzulegen ist; eine d-q-Strom-Führungswert-Einstellschaltung
(66) zum Einstellen eines Strom-Führungswertes (ida*)
in einer d-Achse
und eines Strom-Führungswertes
(iqa*) in einer q-Achse eines d-q-Koordinatensystems,
und zwar auf der Grundlage des durch die Strom-Führungswert-Einstellschaltung
(61, 62) eingestellten Strom-Führungswertes; und eine Spannungssteuerschaltung
zum Steuern einer Spannung, die an den Elektromotor anzulegen ist,
auf der Grundlage des Strom-Führungswertes
in der d-Achse und
des Strom-Führungswertes
in der q-Achse, die von der d-q-Strom-Führungswert-Einstellschaltung
eingestellt sind.
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Die
in Klammern gesetzten alphanumerischen Zeichen geben entsprechende
Komponenten und dgl. in der nachstehenden Ausführungsform an, die jedoch für die vorliegende
Erfindung nicht einschränkend
sein soll.
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Erfindungsgemäß werden
der Strom-Führungswert
in der d-Achse und der Strom-Führungswert
in der q-Achse in dem d-q-Koordinatensystem
bestimmt auf der Grundlage des Strom-Führungswertes,
der von der Strom-Führungswert-Einstellschaltung
eingestellt ist, und der Motor wird gesteuert auf der Grundlage
des Strom-Führungswertes
in der d-Achse und des Strom-Führungswertes
in der q-Achse, die derart eingestellt worden sind. Der Strom-Führungswert
in der d-Achse und der Strom-Führungswert
in der q-Achse, die in dem d-q-Koordinatensystem
definiert sind, sind Gleichstromwerte, die von einem Rotorwinkel
des Motors unabhängig
sind. Daher besteht keine Möglichkeit,
daß sich
ein Ausgangsdrehmoment des Motors verringert aufgrund einer Phasenverschiebung
zwischen dem Strom-Führungswert
und einem momentan durch den Motor fließenden elektrischen Strom,
im Gegensatz zu der herkömmlichen
Motorsteuervorrichtung, die dazu ausgelegt ist, den Motor auf der
Grundlage eines Strom-Führungswertes
zu steuern, der in einem Dreiphasenwechselstrom-Koordinatensystem
definiert ist. Folglich lassen sich das Ansprechverhalten der Lenkhilfe
und das Konvergenzverhalten des Lenkrades verbessern, was zu einer
drastischen Verbesserung des Lenkgefühls führt, verglichen mit der herkömmlichen
Steuervorrichtung.
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Die
Motorsteuervorrichtung beinhaltet eine Strom-Erfassungsschaltung
(41, 41u, 41v) zum Erfassen der Dreiphasenwechselströme, die
momentan durch den Elektromotor fließen; und eine Dreiphasen/d-q-Koordinatentransformationsschaltung
(68) zum Konvertieren der durch die Strom-Erfassungsschlaltung
erfaßten Dreiphasenwechselströme in einen
Strom (ida) in der d-Achse und einen Strom
(iqa) in der q-Achse in dem d-q-Koordinatensystem.
In diesem Fall ist die Spannungssteuerschaltung vorzugsweise dazu
ausgelegt, eine Regelung der Spannung durchzuführen, die an den Elektromotor
angelegt wird, und zwar auf der Grundlage des Strom-Führungswertes
in der d-Achse und des Strom-Führungswertes
in der q-Achse, die von der d-q-Strom-Führungswert-Einstellschaltung
eingestellt sind, und des Stromes in der d-Achse und des Stromes in
der q-Achse, die von der Dreiphasen/d-q-Koordinatentransformationsschaltung
ausgegeben sind.
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Die
Spannungssteuerschaltung weist ferner auf: eine d-Abweichungs-Berechnungsschaltung
(67d) zum Bestimmen einer Abweichung des Stromes in der
d-Achse, der von der Dreiphasen/d-q-Koordinatentransformationsschaltung
ausgegeben ist, von dem Strom-Führungswert
in der d-Achse, der von der d-q-Strom-Führungswert-Einstellschaltung
eingestellt ist; eine d-Spannungs-Führungswert-Einstellschaltung (69d, 71d)
zum Einstellen eines Spannungs-Führungswertes
(vda*) in der d-Achse in dem d-q-Koordinatensystem
auf der Grundlage der Abweichung, die von der d-Abweichungs-Berechnungsschaltung
bestimmt ist; eine q-Abweichungs-Berechnungsschaltung (67q)
zum Bestimmen einer Abweichung des Stromes in der q-Achse, der von
der Dreiphasen/d-q-Koordinatentransformationsschaltung ausgegeben
ist, von dem Strom-Führungswert
in der q-Achse, der von der d-q-Strom-Führungswert-Einstellschaltung
eingestellt ist; und eine q-Spannungs-Führungswert-Einstellschaltung
(69q, 71q) zum Einstellen eines Spannungs-Führungswertes
(vqa*) in der q-Achse in dem d-q-Koordinatensystem
auf der Grundlage der Abweichung, die von der q-Abweichungs-Berechnungsschaltung
berechnet ist.
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Ferner
kann die Motorsteuervorrichtung aufweisen eine Spannungs-Berechnungsschaltung
(70) zum Bestimmen einer elektromotorischen Geschwindigkeitsspannung,
die in dem Elektromotor auftritt. In diesem Fall sind die d-Spannungs-Führungswert-Einstellschaltung
und die q-Spannungs-Führungswert-Einstellschaltung
vorzugsweise dazu ausgelegt, den Spannungs-Führungswert in der d-Achse und
den Spannungs-Führungswert
in der q-Achse zu
bestimmen unter Berücksichtigung
der elektromo torischen Geschwindigkeitsspannung, die von der Spannungs-Berechnungsschaltung
bestimmt ist. Folglich kann eine Verringerung der Ausgangsleistung
des Elektromotors verhindert werden, die ansonsten aufgrund der
elektromotorischen Geschwindigkeitsspannung auftreten kann. Folglich
kann das Lenkgefühl
noch weiter verbessert werden.
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Die
Motorsteuervorrichtung beinhaltet ferner vorzugsweise eine Anomalie-Beurteilungsschaltung
zum Beurteilen, ob in einem Steuersystem eine Anomalie auftritt
oder nicht, und zwar auf der Grundlage des Stromes in der d-Achse
und des Stromes in der q-Achse, die von der Dreiphasen/d-q-Koordinatentransformationsschaltung
ausgegeben sind.
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Bei
dieser Anordnung beurteilt die Anomalie-Beurteilungsschaltung, ob eine Anomalie
auftritt oder nicht, und zwar auf der Grundlage des Stromes in der
d-Achse und des Stromes in der q-Achse, die von der Dreiphasen/d-q-Koordinatentransformationsschaltung
ausgegeben sind. Da der Strom in der d-Achse und der Strom in der
q-Achse Gleichströme
sind, die unabhängig
sind vom Rotorwinkel, kann die Anomalie-Beurteilungsschaltung den Strom in der
d-Achse und den Strom in der q-Achse unabhängig von dem Rotorwinkel messen
und beurteilen, ob eine Anomalie vorliegt oder nicht, und zwar auf
der Grundlage der derart erlangten Ströme in der d-Achse bzw. der
q-Achse. Folglich kann der Prozeß für die Anomalie-Erfassung vereinfacht werden,
ohne daß es
notwendig ist, den Rotorwinkel konstant zu überwachen.
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Die
vorstehenden und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung. Es zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm, das die Konstruktion eines elektrischen Servolenkungssystems
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 ein
Blockdiagramm zum Erläutern
der Funktion und Konstruktion einer Steuervorrichtung (Motorsteuervorrichtung);
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3 ein
Diagramm zum Erläutern
eines d-q-Koordindatensystems;
und
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4 ein
Blockdiagramm, das die Grundkonstruktion einer Motorsteuervorrichtung
für ein
herkömmliches
Servolenkungssystem darstellt.
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1 ist
ein Blockdiagramm, das die elektrische Konstruktion eines elektrischen
Servolenkungssystems gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt, wobei ein Lenkmechanismus
im Schnitt dargestellt ist. Der Lenkmechanismus 1 weist
auf eine Zahnstange 11, die in Breitenrichtung eines Fahrzeugs
ausgerichtet ist, eine Ritzelwelle 12, die an einem distalen
Ende einen Ritzelabschnitt besitzt, der innerhalb eines Getriebes 17 mit
der Zahnstange 11 kämmt,
Spurstangen 13, die drehbar an entgegengesetzten Enden
der Zahnstange 11 angeschlossen sind, und Lenkhebel ("knuckle arms") 14, die
mit Enden der Spurstangen 13 verbunden sind. Die Lenkhebel 14 sind
um Lenkhebelzapfen ("king
pins") 15 drehbar
gelagert. An den Lenk hebeln 14 sind lenkbare Fahrzeugräder 16 angebracht
bzw. angelenkt.
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Ein
proximaler Abschnitt der Ritzelwelle 12 ist mit einer Lenkspindel
verbunden, und zwar über
ein Universalgelenk, und an einem Ende der Lenkspindel ist ein Lenkrad
festgelegt. Bei dieser Anordnung führt ein Drehen des Lenkrades
zu einem Versatz der Zahnstange 11 entlang ihrer Länge, so
daß die
Lenkhebel 14 um die Lenkhebelzapfen 15 herum gedreht
werden, wodurch sich die Ausrichtung der lenkbaren Fahrzeugräder 16 ändert.
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Das
elektrische Servolenkungssystem 2 weist einen bürstenlosen
Dreiphasenmotor M auf, der bspw. in Zuordnung zu einem mittleren
Abschnitt der Zahnstange 11 vorgesehen ist. Der Motor M
weist ein Gehäuse 21 auf,
das an dem Fahrzeug festgelegt ist, einen Rotor 22, der
in dem Gehäuse 21 um
die Zahnstange 11 herum vorgesehen ist, und einen Stator 23,
der den Rotor 22 umgibt.
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An
einem Ende des Rotors 22 ist eine Kugelmutter 31 angekoppelt.
Die Kugelmutter 31 wirkt gewindemäßig mit einer Gewindewelle 32 zusammen,
die in dem mittleren Abschnitt der Zahnstange 11 vorgesehen ist,
und zwar mittels einer Vielzahl von Kugeln. Folglich bilden die
Kugelmutter 31 und die Gewindewelle 32 einen Kugelgewindemechanismus 30.
Zwischen der Kugelmutter 31 und dem Gehäuse 21 des Motors
M sind Lager 33, 34 angeordnet. Ein Lager 35 ist
zwischen dem Gehäuse 21 und
dem anderen Ende des Rotors 22 angeordnet. Bei dieser Anordnung
wird bei Erregung des Motors M ein Drehmoment auf den Rotor 22 aufgebracht,
und das aufgebrachte Drehmoment wird auf die Kugelmutter 31 übertragen,
die mit dem Rotor 22 gekoppelt ist. Das auf die Kugelmutter 31 übertragene
Drehmoment wird in einer Antriebskraft zum Bewegen der Zahnstange 11 entlang
der Breite des Fahrzeugs umgesetzt, und zwar mittels des Kugelgewindemechanismus 30.
Folglich wird das von dem Motor M erzeugte Drehmoment an den Lenkmechanismus 1 angelegt.
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Der
Motor M wird von einer Steuervorrichtung C geregelt. Genauer gesagt
empfängt
die Steuervorrichtung C ein Ausgangssignal einer Motorstrom-Erfassungsschaltung 41 zum
Erfassen von elektrischen Strömen
(Strom iua der U-Phase und Strom iva der V-Phase),
die durch den Motor M fließen,
und empfängt
ein Ausgangssignal eines Fahrzeuggeschwindigkeitssensors 42 zum
Erfassen einer Fahrzeuggeschwindigkeit V. Ferner empfängt die
Steuervorrichtung C ein Ausgangssignal eines Drehmomentsensors 43 zum
Erfassen eines Lenkdrehmomentes T, und zwar über eine Phasenkompensationsschaltung 44.
Die Phasenkompensationsschaltung 44 dient dazu, die Phase
des Ausgangssignals des Drehmomentsensors 43 voreilen zu
lassen, um das Steuersystem zu stabilisieren.
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Die
Steuervorrichtung C empfängt
ferner ein Ausgangssignal einer Rotorwinkel-Erfassungsschaltung 45 zum
Bestimmen eines Rotorwinkels θre auf der Grundlage eines Ausgangssignals
eines Resolvers R. Der Rotorwinkel θre ist
ein Winkel des Rotors (magnetisches Feld) in bezug auf die Position
eines Ankers der U-Phase des Motors M. Die Steuervorrichtung C bestimmt
einen Strom-Führungswert
für den
Motor M auf der Grundlage der Ausgangssignale des Fahrzeuggeschwindigkeitssensors 42 und
der Phasenkompensationsschaltung 44 und bestimmt einen
Spannungs-Führungswert
auf der Grundlage des Strom-Führungswertes und
des Ausgangssignals der Motorstrom-Erfassungsschaltung 41,
um den Spannungs-Führungswert
an eine Motoransteuereinrichtung anzulegen. Folglich wird von der
Motoransteuereinrichtung 50 eine geeignete Spannung an
den Motor M angelegt, wodurch der Motor M ein Drehmoment erzeugt,
das als Lenkhilfe notwendig und hinreichend ist.
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2 ist
ein Blockdiagramm zum Erläutern
der Funktion und Konstruktion der Steuervorrichtung C. Die Steuervorrichtung
C weist einen Mikroprozessor auf, der bspw. eine CPU, ein RAM und
ein ROM beinhaltet. Funktionale Schaltungen, die in 2 von
einer Zweipunkt-Strich-Linie umschlossen sind, werden realisiert,
indem man die CPU Programme ausführen
läßt, die
in dem ROM gespeichert sind.
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Die
Steuervorrichtung C beinhaltet einen Sollstrom-Berechnungsabschnitt 61 zum
Berechnen eines Sollstromwertes auf der Grundlage des Ausgangssignals
V des Fahrzeuggeschwindigkeitssensors 42 und des Ausgangssignals
der Phasenkompensationsschaltung 44. Der Sollstromwert,
der von dem Sollstrom-Berechnungsabschnitt 61 ausgegeben
wird, wird einem Addierer 62 und einem Führungsstromrichtungs-Beurteilungsabschnitt 63 eingegeben.
Der Führungsstromrichtungs-Beurteilungsabschnitt 63 beurteilt
das Vorzeichen des Sollstromwertes, der von dem Sollstrom-Berechnungsabschnitt 61 eingegeben
wird, und das Ergebnis der Beurteilung wird an einen Konvergenzkorrekturabschnitt 64 angelegt.
Der Sollstromwert besitzt ein positives Vorzeichen, wenn von dem
Motor M eine Hilfskraft für
einen Lenkvorgang nach rechts (ein Drehmoment nach rechts) zu erzeugen
ist, und besitzt ein negatives Vorzeichen, wenn eine Hilfskraft
für einen
Lenkvorgang nach links (ein Drehmoment nach links) von dem Motor
M zu erzeugen ist.
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Das
Ausgangssignal V des Fahrzeuggeschwindigkeitssensors 42 und
ein Ausgangssignal eines Rotorwinkelgeschwindigkeits-Berechnungsabschnittes 65 zum
Berechnen einer Rotorwinkelgeschwindigkeit ωre auf
der Grundlage des Rotorwinkels θre, der von der Rotorwinkel-Erfassungsschaltung 45 erfaßt wird,
werden eingegeben in den Konvergenzkorrekturabschnitt 64.
Auf der Grundlage dieser Eingangssignale berechnet der Konvergenzkorrekturabschnitt 64 einen
Konvergenzkorrekturwert zur Verbesserung des Konvergenzverhaltens
des Lenkrades und legt den Konvergenzkorrekturwert an den Addierer 62 an.
Der Addierer 62 addiert den von dem Konvergenzkorrekturabschnitt 64 eingegebenen
Konvergenzkorrekturwert zu dem Sollstromwert hinzu, der von dem
Sollstrom-Berechnungsabschnitt 61 eingegeben ist, um einen
Strom-Führungswert
Ia* bereitzustellen, der die Amplitude von
elektrischen Strömen
(sinusförmigen
elektrischen Strömen)
angibt, die an die U-Phase, die V-Phase und die W-Phase des Motors
M anzulegen sind.
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Der
Strom-Führungswert
Ia*, der von dem Addierer 62 bereitgestellt
wird, wird an einen q-Strom-Führungswert-Berechnungsabschnitt 66 angelegt.
Der q-Strom-Führungswert-Berechnungsabschnitt 66 bestimmt einen
Strom-Führungswert
iqa* in der q-Achse in dem d-q-Koordindatensystem
auf der Grundlage des Strom-Führungswertes
Ia*.
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Das
d-q-Koordinatensystem ist ein orthogonales Rotationskoordinatensystem
mit einer d-Achse und einer q-Achse, die synchron zu dem Rotor (Permanentmagnet)
des Motors M drehbar sind. Wie es in 3 gezeigt
ist, erstreckt sich die d-Achse in Richtung eines magnetischen Flusses,
der von dem Rotor zu erzeugen ist, und die q-Achse erstreckt sich
in Richtung des Drehmomentes, das von dem Motor M zu erzeugen ist.
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Eine
Transformationsmatrix [c] zum Konvertieren der dreiphasigen Wechselstromkoordinaten
in die d-q-Koordinaten ergibt sich wie folgt:
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Vorausgesetzt,
daß ein
Strom-Führungswert
für die
U-Phase, ein Strom-Führungswert
für die
V-Phase und ein Strom-Führungswert
für die
W-Phase, die erhalten werden über
einen Dreiphasenaufteilungsprozeß des Strom-Führungswertes
I
a*, bezeichnet werden mit i
ua*,
i
va* bzw. i
wa*,
lassen sich der Strom-Führungswert i
da* in der d-Achse und der Strom-Führungswert
i
qa* in der q-Achse in dem d-q-Koordinatensystem
durch die folgende Gleichung (2) ausdrücken:
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Der
Strom-Führungswert
iua* für
die U-Phase, der Strom-Führungswert
iva* für
die V-Phase und der Strom-Führungswert
iwa* für
die W-Phase lassen sich jeweils durch die folgenden Gleichungen
(3), (4) bzw. (5) ausdrücken.
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Die
Gleichungen (3), (4) und (5) werden in die Gleichung (2) eingesetzt
und diese wird im folgenden vereinfacht. Dann werden der Strom-Führungswert
i
da* in der d-Achse und der Strom-Führungswert i
qa*
in der q-Achse durch die folgende Gleichung (6) ausgedrückt:
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Folglich
berechnet der q-Strom-Führungswert-Berechnungsabschnitt
66 den
Strom-Führungswert
i
qa* in der q-Achse aus der folgenden Gleichung
(7):
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Der
Strom-Führungswert
i
qa* in der q-Achse, der berechnet wird
durch den q-Strom-Führungswert-Berechnungsabschnitt
66,
wird in einen Subtrahierer
67q eingegeben. Der Subtrahierer
67q empfängt auch
einen Strom i
qa in der q-Achse, der erhalten
wird durch eine Dreiphasen/d-q-Koordinatentransformation des Stromes i
ua in der U-Phase und des Stromes i
va in der V-Phase, die erfaßt werden
von der Motorstrom-Erfassungsschaltung
41. Genauer gesagt
beinhaltet die Motorstrom-Erfassungsschaltung
41 eine Erfassungsschaltung
41u zum
Erfassen des Stromes i
ua, der momentan durch
die U-Phase des Motors M fließt,
und eine Erfassungsschaltung
41v zum Erfassen des Stromes
i
va, der momentan durch die V-Phase des
Motors fließt.
Die Ausgangssignale der U-Strom-Erfassungsschaltung
41u und
der V-Strom-Erfassungsschaltung
41v werden
eingegeben in den Dreiphasen/d-q-Koordinatentransformationsabschnitt
68,
der den Strom i
ua in der U-Phase und den
Strom i
va in der V-Phase in Werte auf der
Grundlage des d-q-Koordinatensystems umwandelt, und zwar gemäß der folgenden
Gleichung (8):
(i
wa = i
ua – i
va wird hier eingesetzt, gefolgt von einer
Vereinfachung)
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Anschließend legt
der Dreiphasen/d-q-Koordindatentransformationsabschnitt 68 den
Strom iqa in der q-Achse, der erhalten wird
durch die Dreiphasen/d-q-Transformation, an den Subtrahierer 67q an.
Daher gibt der Subtrahierer 67q die Abweichung des Stromes
iqa in der q-Achse von dem Strom-Führungswert
iqa* in der q-Achse aus.
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Wie
aus der obigen Gleichung (6) verständlich wird, ist es bevorzugt,
den Strom-Führungswert
ida* in der d-Achse auf Null zu setzen,
und zwar unabhängig
von dem Strom-Führungswert
Ia*. Daher wird der Strom-Führungswert
ida* für
die d-Achse immer auf Null gesetzt, und der Strom-Führungswert "ida*
= 0" wird in den
Subtrahierer 67d eingegeben. Der Strom ida in
der d-Achse, der erhalten wird durch die Dreiphasen/d-q-Koordinatentransformation
des Stromes iua in der U-Phase und des Stromes
iva in der V-Phase gemäß der obigen Gleichung (8)
mittels des Dreiphasen/d-q-Koordinatentransformationsabschnittes 68,
wird in den Subtrahierer 67d eingegeben. Folglich gibt
der Subtrahierer 67d eine Abweichung des Stromes ida in der d-Achse von dem Strom-Führungswert
ida* in der d-Achse aus.
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Die
von den Subtrahierern 67d, 67q ausgegebenen Abweichungen
werden jeweils angelegt an einen PI-Stromregelabschnitt 69d für die d-Achse
(PI steht für
proportional-integral) bzw. einen PI-Stromregelabschnitt 69q für die q-Achse.
Die PI-Stromregelabschnitte 69d, 69q führen eine
PI-Berechnung auf der Grundlage der Abweichungen durch, die von
den Subtrahierern 67d, 67q eingegeben worden sind,
um einen Spannungsbasiswert V'da* für
die d-Achse und einen Spannungsbasiswert V'qa* für die q-Achse
zu bestimmen.
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Es
ist bekannt, daß eine
Schaltungsgleichung für
den Motor M, die auf dem d-q-Koordinatensystem basiert, durch die
folgende Gleichung (9) ausgedrückt
wird:
wobei
V
da eine Spannung in der d-Achse, V
qa eine Spannung in der q-Achse, R
a der Widerstand der Ankerspule, P ein Differentialoperator
(d/dt), L
a die Selbstinduktivität der Ankerspule
und Φ
fa die maximale Anzahl der Verkettungsflüsse der
Ankerspule in dem d-q-Koordinatensystem sind.
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Durch
Erweitern und Vereinfachen der Gleichung (9) werden die folgenden
Gleichungen (10) und (11) erhalten. Vda = (Ra +
PLa) ida – ϖreLaiqa (10) Vqa =
(Ra + PLa)iqa + ϖre(Laida + Φfa) (11)
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Der
zweite Ausdruck "–ωreLaiqa" in der Gleichung
(10) und der zweite Ausdruck "ωre(Laida + Φfa)" in
der Gleichung (11) sind elektromotorische Geschwindigkeitsspannungen
("velocity electromotive
voltages"), die von
dem magnetischen Fluß,
der von dem Rotor erzeugt wird, und dem magnetischen Fluß zu erzeugen
sind, der von dem Strom erzeugt wird, der durch die Ankerspule fließt. Wie
sich aus den obigen Gleichungen (10) und (11) versteht, beeinflussen
die elektromotorischen Geschwindigkeitsspannungen "–ωreLaiqa" und "ωre(Laida + Φfa)" die
Spannung Vda in der d-Achse und die Spannung
Vqa in der q-Achse. Wenn der Motor M gesteuert wird
auf der Grundlage des Spannungsbasiswertes V'da* in der d-Achse
und des Spannungsbasiswertes V'qa* in der q-Achse, passen der Strom ida in
der d-Achse und der Strom iqa in der q-Achse,
die erhalten werden durch die Dreiphasen/d-q-Koordinatentransformation des Ausgangs
der Motorstrom-Erfassungsschaltung 41,
nicht geeignet zusammen mit dem Strom-Führungswert
ida* in der d-Achse bzw. dem Strom-Führungswert
iqa* in der q-Achse.
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Bei
dieser Ausführungsform
wird eine Unbeeinflussungssteuerung ("non-interference control") durchgeführt auf
der Grundlage der Rotorwinkelgeschwindigkeit ωre,
die von dem Rotorwinkelgeschwindigkeits-Berechnungsabschnitt 65 ausgegeben
wird, und des Stromes ida in der d-Achse
und des Stromes iqa in der q-Achse, die
von dem Dreiphasen/d-q-Koordinatentransformationsabschnitt 68 ausgegeben
werden, um den Einfluß der
elektromotorischen Geschwindigkeitsspannungen "–ωreLaiqa" und "ωre(Laida + Φfa)" zu
eliminieren.
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Genauer
gesagt werden die Rotorwinkelgeschwindigkeit ωre,
die von dem Rotorwinkelgeschwindigkeits-Berechnungsabschnitt 65 ausgegeben
wird, und der Strom ida in der d-Achse und
der Strom iqa in der q-Achse, die von dem
Dreiphasen/d-q-Koordinatentransformationsabschnitt 68 ausgegeben
werden, in einen Unbeeinflussungs-Steuerabschnitt 70 eingegeben,
der wiederum die elektromotorischen Geschwindigkeitsspannungen "–ωreLaiqa" und "ωre(Laida+Φfa)" berechnet.
Die elektromotorischen Geschwindigkeitsspannungen "–ωreLaiqa" und "ωre(Laida+Φfa)" werden
jeweils hinzuaddiert zu dem Spannungsbasiswert V'da* in der d-Achse und dem Spannungsbasiswert
V'qa*
in der q-Achse mittels der Addierer 71d und 71q,
und die Berechnungsergebnisse werden jeweils verwendet als ein Spannungs-Führungswert
Vda* in der d-Achse und ein Spannungs-Führungswert
Vqa* in der q-Achse.
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Der
Spannungs-Führungswert
Vda* in der d-Achse und der Spannungs-Führungswert
Vqa* in der q-Achse werden eingegeben in
einen d-q/Dreiphasen-Koordinatentransformationsabschnitt 72.
Der d-q/Dreiphasen-Koordinatentransformationsabschnitt 72 empfängt auch
den Rotorwinkel θre, der von der Rotorwinkel-Erfassungsschaltung 45 erfaßt wird,
und wandelt den Spannungs-Führungswert
Vda* in der d-Achse und den Spannungs-Führungswert
Vqa* in der q-Achse in Führungswerte Vua*,
Vva* um, die auf dem Dreiphasen-Koordinatensystem
basieren, und zwar mittels der folgenden Gleichung (12). Der Spannungs-Führungswert
Vua* für
die U-Phase und der Spannungs-Führungswert
Vva* für
die V-Phase, die
sich so ergeben, werden eingegeben in einen Dreiphasen-PWM-Abschnitt 51 (PWM
steht für
Pulsbreitenmodulation), der in der Motoransteuereinrichtung 50 vorgesehen
ist.
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Ein
Spannungs-Führungswert
Vwa* für
die W-Phase wird von dem d-q/Dreiphasen-Koordinatentransformationsabschnitt 72 jedoch
nicht berechnet, sondern mittels eines W-Spannungs- Führungswert-Berechnungsabschnittes 73,
und zwar auf der Grundlage des Spannungs-Führungswertes Vua*
für die
U-Phase und des Spannungs-Führungswertes
Vva* für
die V-Phase, die berechnet werden von dem d-q/Dreiphasen-Koordinatentransformationsabschnitt 72.
Genauer gesagt empfängt
der W-Spannungs-Führungswert-Berechnungsabschnitt 73 den
Spannungs-Führungswert
Vua* für
die U-Phase und den Spannungs-Führungswert
Vva* für die
V-Phase von dem d-q/Dreiphasen-Koordinatentransformationsabschnitt 72 und
bestimmt den Spannungs-Führungswert
Vwa* für
die W-Phase durch Subtrahieren des Spannungs-Führungswertes Vua*
für die U-Phase
und des Spannungs-Führungswertes
Vva* für
die V-Phase von Null.
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Ein
Grund dafür,
warum der Spannungs-Führungswert
Vwa* für
die W-Phase nicht berechnet wird durch den d-q/Dreiphasen-Koordinatentransformationsabschnitt 72 sondern
durch den W-Spannungs-Führungswert-Berechnungsabschnitt 73,
besteht darin, zu verhindern, daß die CPU mit der Berechnung
gemäß der Gleichung
(12) belastet wird. Wenn die Berechnungsgeschwindigkeit der CPU
hinreichend hoch ist, kann der Spannungs-Führungswert Vwa*
für die
W-Phase daher auch berechnet werden mittels des d-q/Dreiphasen-Koordinatentransformationsabschnittes 72.
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Der
Spannungs-Führungswert
Vwa*, der von dem W-Spannungs-Führungswert-Berechnungsabschnitt 73 berechnet
wird, wird genauso wie der Spannungs-Führungswert Vua*
für die
U-Phase und der Spannungs-Führungswert
Vva* für
die V-Phase angelegt an den Dreiphasen-PWM-Abschnitt 51.
Der Dreiphasen-PWM-Abschnitt 51 erzeugt PWM-Signale Su, Sv und Sw, die den Spannungs-Führungswerten
Vua*, Vva* bzw.
Vwa* für
die U-Phase, die V-Phase bzw. die W-Phase entsprechen, und die erzeugten
PWM-Signale Su, Sv,
Sw werden ausgegeben an eine Leistungsschaltung 52.
Die Leistungsschaltung 52 legt Spannungen Vua, Vva und Vwa gemäß den PWM-Signalen
Su, Sv, Sw an die U-Phase, die V-Phase bzw. die W-Phase des Motors M
an, wodurch der Motor M ein für
die Lenkhilfe erforderliches Drehmoment erzeugt.
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Bei
dieser Ausführungsform
werden der Strom-Führungswert
ida* für
die d-Achse und der Strom-Führungswert
iqa* für
die q-Achse in dem d-q-Koordinatensystem bestimmt auf der Grundlage
des Strom-Führungswertes
Ia*, der eingestellt wird gemäß der Fahrzeuggeschwindigkeit
V, des Lenkdrehmomentes T und dgl., und der Motor M wird gesteuert
auf der Grundlage des Strom-Führungswertes
ida* für
die d-Achse und des Strom-Führungswertes
iqa* für
die q-Achse, die so bestimmt worden sind. Der Strom-Führungswert
ida* für
die d-Achse und der Strom-Führungswert
iqa* für
die q-Achse sind unabhängig
von dem Rotorwinkel θre bzw. irrelevant für den Rotorwinkel θre, wie sich aus der obigen Gleichung (6)
ergibt. Folglich besteht keine Möglichkeit, daß das Ausgangsdrehmoment
des Motors M aufgrund einer Phasenverschiebung ("phase offset") zwischen dem Strom-Führungswert
und dem elektrischen Strom verringert wird, der tatsächlich durch
den Motor M fließt, im
Gegensatz zu der herkömmlichen
Steuervorrichtung, die dazu ausgelegt ist, den Motor M auf der Grundlage des
Strom-Führungswertes
in dem Dreiphasen-Koordinatensystem zu steuern. Daher lassen sich
das Ansprechverhalten der Lenkhilfe und das Konvergenzverhalten
des Lenkrades verbessern, um eine drastische Verbesserung des Lenkgefühls zu erreichen,
verglichen mit der herkömmlichen
Steuervorrichtung.
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Bei
dieser Ausführungsform
wird die elektromotorische Geschwindigkeitsspannung berechnet, die
in dem Motor M erzeugt wird durch den magnetischen Fluß, der von
dem Rotor hervorgerufen wird, und den magnetischen Fluß, der von
dem elektrischen Strom hervorgerufen wird, der durch die Ankerspule
fließt,
und der Spannungs-Führungswert
Vda* für
die d-Achse und der Spannungs-Führungswert
Vqa* für
die q-Achse werden bestimmt unter Berücksichtigung der so berechneten
elektromotorischen Geschwindigkeitsspannung (Unbeeinflussungs-Steuerung).
Daher kann die Verringerung der Ausgangsleistung des Motors M verhindert
werden, die ansonsten aufgrund der elektromotorischen Geschwindigkeitsspannung
auftreten kann, wodurch das Lenkgefühl weiter verbessert werden
kann.
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Bei
dieser Ausführungsform
beinhaltet die Motorsteuervorrichtung ferner einen Anomalie-Beurteilungsabschnitt 74 zum
Bestimmen, ob eine Anomalie wie eine Verschiebung bzw. ein Versatz
("offset") auftritt oder nicht.
Der Anomalie-Beurteilungsabschnitt 74 ist
dazu ausgelegt, zu bestimmen, ob irgendeine Anomalie auftritt oder
nicht, auf der Grundlage des Stromes ida in
der d-Achse und des Stromes iqa in der q-Achse,
die ausgegeben werden von dem Dreiphasen/d-q-Koordinatentransformationsabschnitt 68.
Vorausgesetzt, daß der
Strom iua in der U-Phase, der Strom iva in der V-Phase und der Strom iwa in der W-Phase jeweils eine Amplitude
Ia besitzen, lassen sich der Strom ida in der d-Achse und der Strom iqa in der q-Achse ausdrücken durch die folgende Gleichung
(13), die anzeigt, daß der
Strom ida in der d-Achse und der Strom iqa in der q-Achse von dem Rotorwinkel θre unabhängig
bzw. für
diesen irrelevant sind. Daher bekommt der Anomalie-Beurteilungsabschnitt 74 den
Strom ida in der d-Achse und den Strom iqa in der q-Achse unabhängig von dem Rotorwinkel θre und bestimmt, ob eine Anomalie vorliegt
oder nicht, auf der Grundlage des erhaltenen Stromes ida in
der d-Achse und des Stromes iqa in der q-Achse.
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Zusätzlich besteht
keine Notwendigkeit, den Effektivwert des elektrischen Stromes zu
berechnen, der durch den Motor M fließt.
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Obgleich
eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung somit beschrieben worden ist, kann die Erfindung
auch anders ausgeführt
werden. Bei der zuvor genannten Ausführungsform wird eine PI-Regelung eingesetzt.
Anstelle der PI-Regelung kann auch eine PID-Regelung (PID steht
für proportional-integral-differential)
eingesetzt werden.
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Obgleich
die vorliegende Erfindung im Detail anhand einer Ausführungsform
beschrieben worden ist, versteht sich, daß die vorstehende Offenbarung
für die
technischen Prinzipien der vorliegenden Erfindung lediglich illustrativ,
jedoch nicht einschränkend
sein soll. Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist allein durch
die beigefügten
Ansprüche
definiert.
