JP5043981B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

この発明は、交流回転機を用いてステアリング系の操舵トルクへの補助トルクを発生させる電動パワーステアリング装置に関するものである。

ステアリング系の操舵トルクを検出し、この検出したトルクに基づいて補助トルクを交流回転機によって発生させるように半導体電力変換器から給電を行う電動パワーステアリング装置が知られている。

通常、電動パワーステアリング装置が具備する半導体電力変換器によって交流回転機を駆動する場合、座標変換と呼ばれる手法で交流電流を磁束成分電流とトルク成分電流に分解し、トルク電流成分が所望の値になるように制御する。これによって、交流回転機のトルクを所望の補助トルクにすることができる。また、回転子に永久磁石を有する交流回転機を用いる場合は、回転速度の大きさが大きくなると交流回転機に印加可能な電圧振幅まで誘起電圧が達するので、回転子の磁束を打ち消すように磁束成分電流を制御する弱め磁束制御を施すことで誘起電圧の増大を抑制して高回転まで駆動させる。

ところで、ファン・ポンプを駆動するような交流回転機では、負荷が回転速度に比例したり、或いは回転速度の二乗に比例したりするので、回転速度が高いときほど負荷が大きくなる。このため、ファン・ポンプなどを駆動するような交流回転機では回転速度が高くなるほど交流回転機の電流振幅を大きくする必要がある。

これに対し、電動パワーステアリング装置に具備される交流回転機は、ファン・ポンプなどを駆動する交流回転機と異なって、回転速度が低くなるほど負荷が大きくなる。具体的には、ステアリングの操舵で大きな補助トルクを必要とするのは、「据え切り」と呼ばれる車両が停止している状態での操舵を行ったときである。「据え切り」の操舵速度は高くないので、補助トルクを発生する交流回転機の回転速度も高くない。このように、電動パワーステアリング装置が具備する交流回転機は、回転速度が低くなるほど負荷が大きくなるので、従来の電動パワーステアリング装置では回転速度が低くなるほど交流回転機の電流振幅を大きくしていた。

この「据え切り」を行う場合、交流回転機の回転速度は高くないので電動パワーステアリングが具備する交流回転機は弱め磁束制御の必要は無い。従って、交流回転機が出力可能な最大トルクを発生する場合に磁束成分電流指令を零にして電流成分をトルク成分電流だけにして駆動することは、「据え切り」で大きな補助トルクを発生するのに好都合である。また、電動パワーステアリング装置が具備する半導体電力変換器は、交流回転機に大きな補助トルクを発生させる場合、交流回転機に大きな振幅の電流を給電することになる。半導体電力変換器が給電可能な電流振幅を大きくするにつれ、半導体電力変換器のコストやサイズも大きくなるので、半導体電力変換器を無駄なく使いこなすために「据え切り」が発生する回転速度が低い領域で半導体電力変換器が給電可能な最大電流を発生することは合理的でもある。

例えば特許文献１に記載される従来の電動パワーステアリング装置では、磁束電流の方向をｄ軸方向に、このｄ軸と直交する方向をｑ軸方向にもつ二相回転座標系で記述され得るベクトル制御により、トルク指令に応じて交流回転機の制御を行なうようにしたものにおいて、トルク指令が零の状態における交流回転機の電機子電流のｄ軸成分であるｄ軸電流が交流回転機の磁束を弱めるような所定値となるように補正し、前記トルク指令が零の状態から増加する場合には、前記ｄ軸電流が零になるように前記所定値を補正することにより、通常、トルク指令が零の状態では交流回転機の磁束を弱めるようにｄ軸電流を設定し、この状態で、トルク指令が零の状態から増加する場合、ｄ軸電流が零になるように、所定値が補正されて、交流回転機の磁束を弱める制御が解除されるようになっている。

また、例えば特許文献２に記載される従来の電動パワーステアリング装置では、ベクトル制御のｄ軸弱め磁束制御時に、電流指令値或いは回転数がわずかに変化したとき、ｄ軸電流指令値の変化を出力トルクの変動がないように制限することによって、ハンドルの急速な切り返し操舵等の際にも交流回転機の高速領域におけるトルクリップルの発生を抑え、振動や異常音のない交流回転機駆動を実現している。ここで、ｄ軸電流指令値は、弱め磁束制御ｄ／ｑ軸電流関係曲線を有するｄ／ｑ軸電流指令値演算部によって演算され、ｄ軸電流指令値はｑ軸電流指令値が最大のときに零になるようになっている。

また、例えば特許文献３に記載される従来の電動パワーステアリング装置では、電子制御ユニットは、交流回転機の効率化および小型高出力化のための弱め磁束制御に関係した弱め磁束制御パラメータ演算部を備えている。弱め磁束制御パラメータ演算部は、交流回転機の角速度ω、交流回転機に対するｑ軸指令電圧Ｖｑ＊’および交流回転機のｑ軸実電流Ｉｑを入力し、第１〜第３パラメータテーブルを参照して、前記角速度ω、ｑ軸指令電圧Ｖｑ＊’およびｑ軸実電流Ｉｑに応じた第１〜第３パラメータＣｗ、Ｃｑ、Ｃｉを計算する。

これらの第１〜第３パラメータＣｗ、Ｃｑ、Ｃｉは、ｄ軸目標電流演算部に供給され、ｄ軸目標電流演算部は、第１〜第３パラメータＣｗ、Ｃｑ、Ｃｉに正の係数ｋを乗算して、ｄ軸目標電流Ｉｄ＊（＝ｋ・Ｃｗ・Ｃｑ・Ｃｉ）を計算する。このｄ軸目標電流Ｉｄ＊は、２相回転磁束座標系で記述されるベクトル制御におけるｄ軸成分電流であり、これによって交流回転機の磁束を弱める。ここで、ｑ軸実電流の関数である第３パラメータＣｉは、ｑ軸実電流が最大のときに零となるようになっているので、最大トルクを出力する場合ｄ軸目標電流は零になる。

また、例えば特許文献４に記載される従来の電動パワーステアリング装置では、ｄ軸およびｑ軸の電流指令値と、ｄ軸およびｑ軸の電流検出値と、周波数演算値に基づき、永久磁石交流回転機を駆動する電力変換器の出力電圧指令値を制御するようにし、電圧飽和しない範囲で出力可能なトルクを超えるトルク指令値が入力された場合、制御の回転位相指令値と交流回転機の回転位相値との偏差である位相角の制限値を所定の状態量に基づいて可変させることで、弱め磁束制御時に出力可能トルクより過大なトルク指令値が入力された場合でも安定に駆動可能で限界トルクを出力する。ここで、ｄ軸電流指令は零に固定されており、交流回転機が出力可能な最大トルクを発生する場合のｄ軸電流指令は零である。

以上のように、従来の電動パワーステアリング装置では交流回転機が出力可能な最大トルクを発生する場合、磁束成分電流を零にしている。このようにすることで、「据え切り」を行うとき、半導体電力変換器が給電できる最大電流をすべてトルク成分電流に割り当てていた。

なお、「端当て」と呼ばれる舵角が最大に達する操舵を行った場合も、ステアリングに加わる操舵力が大きくなるため、「据え切り」の場合と同様に、半導体電力変換器は回転速度が低い領域で交流回転機に大きな電流を給電することになる。しかし、「端当て」が連続的に発生すると後述するように発熱量が増大してその信頼性に影響を及ぼす恐れがあるので、従来の電動パワーステアリング装置では、所定時間以上連続して電流が流れた際に給電する電流振幅の許容値を変更したり、或いは、操舵角が最大操舵角より所定値手前になったことを判定するために操舵角判定手段を備えるようにしていた。

例えば特許文献５に記載される従来の電動パワーステアリング装置では、回転機に所定時間以上連続して電流が流れた際に、この回転機電流の平均値の大きさに応じて回転機電流の最大値を制限する回転機電流制限手段を設けることで、大電流が連続して発生することに起因する発熱を防いでいる。

また、例えば特許文献６に記載される従来の電動パワーステアリング装置では、ステアリング系の操舵角が最大操舵角より所定値手前になったことを判定する操舵角判定手段を備えるとともに、操舵角が最大操舵角より所定値手前になったときに回転機へ供給する電力を減少させて補助トルクを減少させている。

更に、例えば特許文献７に記載される従来の電動パワーステアリング装置では、ステアリング操舵時の最大操舵角において、三相インバータを流れる三相電流がいずれも最大電流値未満となるように制御することにより、三相インバータが最大操舵角時にその発熱を低減させている。

特開２０００−２７９０００号公報（段落０００７、図５） 特開２００７−１１６８４９号公報（段落００３９、図２） 特開２００８−６９１９号公報（段落００２１、図４〜６） 特開２００８−２７１７５５号公報（段落０００６、図１〜２） 特開平０１−１８６４６８号公報（請求項１） 特開昭６１−１８４１７１号公報（請求項１、図１） 特開２００５−２８９２９６号公報（段落０００６、図５）

交流回転機へ給電する際に発生する半導体電力変換器および交流回転機の損失は電流振幅の二乗に比例する。従って、「据え切り」や「端当て」によって交流回転機が大きな補助トルクを発生する場合、給電に起因する損失は著しく大きくなる。
特許文献１乃至４記載の従来の電動パワーステアリング装置では、「据え切り」や「端当て」を行う場合に半導体電力変換器が給電できる電流をすべてトルク成分電流に割り当てていたので、回転速度が低い領域で発生する「据え切り」や「端当て」を行うと、半導体電力変換器が給電できる最大電流となり、発熱も大きくなるので、「据え切り」の繰り返し回数や「端当て」の連続時間に制約を受けて操舵フィーリングが低下する問題があった。

また、特許文献５記載の従来の電動パワーステアリング装置では、発熱を許容範囲内に抑えるために所定時間以上連続して電流が流れないようにするので、「据え切り」の繰り返し回数や「端当て」の連続時間に制約を受けて、同様に操舵フィーリングが低下する問題があった。

更に、特許文献６や特許文献７記載の従来の電動パワーステアリング装置では、操舵角が最大操舵角より所定値手前になったことを判定するので「端当て」による発熱を抑えることができるが、「据え切り」の操舵角は不定なので「据え切り」による発熱は抑えることができない問題があった。また、このような従来の電動パワーステアリング装置は操舵角判定手段を備える必要があるが、交流回転機の回転位置情報からは操舵角の相対値しか判別できないので、操舵角の絶対値を判別するために、操舵角検出器などが必要となり、電動パワーステアリング装置のコストが増す問題があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、「据え切り」及び「端当て」の繰り返し回数や連続時間に制約を解放、若しくは緩和することが可能な電動パワーステアリング装置を得ることを目的としている。

この発明に係る電動パワーステアリング装置は、ステアリング系の操舵トルクを補助する補助トルクを発生する交流回転機と、前記操舵トルク検出するトルク検出手段と、前記トルク検出手段による検出トルクに基づいて生成した磁束成分電流指令とトルク成分電流指令を利用して、前記交流回転機を制御する半導体電力変換器への電圧指令を演算する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記交流回転機の回転速度が大きくなると該交流回転機の許容する電流振幅を大きくし、前記交流回転機の回転速度が小さくなると許容する電流振幅を小さくするように制御する電流指令修正器を有することを特徴とするものである。

この発明によれば、回転速度が所定の値よりも大きい場合、大きな補助トルクを連続若しくは繰り返し必要とすることはないので、所定の回転速度以上では半導体電力変換器が給電可能な最大電流振幅まで電流振幅を許容しても、「据え切り」や「端当て」の繰り返し回数や連続時間を減少させることはなく、また、所定の回転速度以下（低速域）では上記許容する電流振幅は半導体電力変換器が給電可能な最大電流振幅より小さくなるようにしたので、「据え切り」や「端当て」の繰り返し回数や連続時間の制約を解放、若しくは緩和することができる効果を奏する。

本発明の実施の形態１における電動パワーステアリング装置の構成を示す図である。 本実施の形態１における制御手段３の内部構成を示す図である。 本実施の形態１における電流指令修正器１３の内部構成を示す図である。 「端当て」操舵を連続で行った場合の時刻と電流振幅の関係をプロットした図である。 本発明の実施の形態２における電流指令修正器１３ａの内部構成を示した図である。 本発明の実施の形態３における電流指令修正器１３ｂの内部構成を示した図である。 回転速度に応じて許容する電流振幅が変化する様子を示したものである。 本発明の実施の形態４における電流指令修正器１３ｃの内部構成を示した図である。 本発明の実施の形態４における電動パワーステアリング装置において、回転速度に応じて許容する電流振幅が変化する様子を示したものである。 回転速度に応じて許容する電流振幅と交流回転機が発生できる最大トルクを示したものである。

実施の形態１．
図１は本実施の形態１における電動パワーステアリング装置の構成を示す図である。運転者がハンドル１によってステアリング系の操舵トルクを発生させると、トルク検出手段２は操舵トルクを検出し検出トルクτとして出力する。制御手段３は、操舵トルクを補助するトルクを交流回転機４に発生させるために、トルク検出手段２から得た検出トルクτに基づいて交流回転機４に印加すべき三相電圧指令vu*、vv*、vw*を演算して、半導体電力変換器５に出力する。本実施の形態では、交流回転機４としてＤＣブラシレスモータとも呼ばれる表面磁石型同期機の場合について説明するが、ＩＰＭモータとも呼ばれる埋め込み磁石型同期機など、他の交流回転機に置換しても良い。

半導体電力変換器５は制御手段３から得た電圧指令に基づいて交流回転機４に三相電圧vu、vv、vwを印加する。電流検出器６は半導体電力変換器５が交流回転機４に給電する三相電流を検出し、制御手段３へ出力する。本実施の形態における電流検出器６は、三相電流のうちの二相分iu、ivを検出するものを示しているが、三相電流iu、iv、iwを検出するものでも良く、また、半導体電力変換器５内部の母線電流（図示せず）から三相電流を演算によって求める公知の手法を用いても良い。

回転位置検出器７は交流回転機４の回転位置θを検出し、これまた制御手段３に出力する。本実施の形態における回転位置検出器７はレゾルバなど直接的に回転位置を検出するものを示しているが、交流回転機４に印加される電圧と電流検出器６が検出する電流に基づいて演算する公知の手法によって回転位置を得るようにしても良い。交流回転機４はギア８を介して操舵トルクを補助するための補助トルクを発生し、前輪９は操舵トルクと補助トルクによって操舵されることになる。

図２は本実施の形態１における制御手段３の内部構成を示す図である。図においてトルク成分電流指令演算器１０は、トルク検出手段２から得た検出トルクτに基づいてトルク成分電流指令iq*を出力する。なお、公知のようにトルク成分電流指令演算器１０は検出トルクτに基づくことに加えて、車両速度（図示せず）といった検出トルク以外の情報に基づいてトルク成分電流指令iq*を出力しても良いことは言うまでもない。

回転位置変化率演算器１１は回転位置検出器７から得た回転位置θの変化率を演算し、交流回転機４の回転速度ωとして出力する。磁束成分電流指令演算器１２は回転速度ωとトルク成分電流指令iq*に基づいて磁束成分電流指令id*を出力する。なお、公知のように磁束成分電流指令１２はωとiq*に加えて半導体電力変換器内部の母線電圧（図示せず）といった複数の情報に基づいて磁束成分電流指令id*を出力しても良い。

前述したように交流回転機４の回転速度が高くなると、誘起電圧は交流回転機４に印加可能な電圧振幅まで達するので、回転速度が高くなると磁束成分電流指令演算器１２が出力する磁束成分電流指令id*は回転子の磁束を打ち消すような値にする。この動作により回転速度が高くても誘起電圧の増大を抑制できるので、交流回転機４を高回転まで駆動できるようになる。なお、誘起電圧が交流回転機に印加可能な電圧振幅よりも十分小さい場合は、不必要な電流を給電することがないように磁束成分電流指令id*は零にしておく。

交流回転機４の電流振幅は磁束成分電流とトルク成分電流の二乗和の平方根に比例するという関係がある。今、磁束成分電流指令id*とトルク成分電流指令iq*の関係が交流回転機４に給電する電流振幅が許容範囲内となる関係であれば、電流指令修正器１３は磁束成分電流指令id*をそのまま修正磁束成分電流指令id0*として出力するとともに、トルク成分電流指令iq*をそのまま修正トルク成分電流指令iq0*として出力する。

一方、磁束成分電流指令id*とトルク成分電流指令iq*の関係が交流回転機４に給電する電流振幅が許容範囲を超える関係であれば、電流指令修正器１３は電流振幅が許容範囲内になるようにid*またはiq*、若しくはid*とiq*の両方を修正してid0*、iq0*を出力する。
このように、電流指令修正器１３は、回転速度ω（回転位置の変化率）の大きさが大きくなると許容する電流振幅を大きくし、また、回転速度ωの大きさが小さくなると許容する電流振幅を小さくするように作用する。

座標変換器１４は、電流検出器６から得た三相電流iu、ivと回転位置検出器７から得た回転位置θに基づいて磁束成分電流idとトルク成分電流iqを出力する。電流制御器１５は磁束成分電流idが修正磁束成分電流指令id0*に一致するとともに、トルク成分電流iqが修正トルク成分電流指令iq0*に一致するように磁束成分電圧指令vd*及びトルク成分電圧指令vq*を出力する。座標変換器１６は磁束成分電圧指令vd*とトルク成分電圧指令vq*と回転位置θに基づいて三相電圧指令vu*、vv*、vw*を出力する。制御手段３を図２の構成とすることで、交流回転機４の電流を磁束成分電流idとトルク成分電流iqに分解し、これらを互いに独立に制御することができる。

図３は、本実施の形態１における電流指令修正器１３の内部構成を示す図である。図中、許容電流演算器２０は回転速度ωに基づいて許容電流振幅imaxを出力する。許容電流演算器２０は、回転速度ωの大きさが大きくなると、この許容電流振幅imaxが大きくなるように出力する。修正磁束成分電流指令演算器２１は、磁束成分電流指令id*が-imaxより小さい場合は修正磁束成分電流指令id0*を-imaxで与え、磁束成分電流指令id*がimaxより大きい場合は修正磁束成分電流指令id0*をimaxで与え、それ以外の場合はid0*をid*で与える。

更に、修正トルク成分電流指令演算器２２は（１）式に従って修正トルク成分電流指令iq0*を演算する。

iq0*＝min{abs(iq*),√(imax²-id0*²)}×sign(iq*) ・・・・・（１）

ここで（１）式について説明する。まず、トルク成分電流指令iq*の絶対値abs(iq*)を演算する。前述したように交流回転機４の電流振幅は磁束成分電流とトルク成分電流の二乗和の平方根に比例するという関係があるので、id0*²+iq0*²はimax²まで許容できる。換言するとiq0*の大きさは√(imax²-id0*²)まで許容できる。そこで、abs(iq*)と√(imax²-id0*²)の最小関係を調べ、abs(iq*)と√(imax²-id0*²)のうち小さい方の値min{abs(iq*),√(imax²-id0*²)}を求める。id0*²+iq*²がimax²よりも小さい場合、min{abs(iq*),√(imax²-id0*²)}はabs(iq*)となるので、iq0*即ちmin{abs(iq*),√(imax²-id0*²)}×sign(iq*)はabs(iq*)×sign(iq*)、即ちiq*となる。

また、id0*²+iq*²がimax²よりも大きい場合、min{abs(iq*),√(imax²-id0*²)}は√(imax²-id0*²)となるので、min{abs(iq*),√(imax²-id0*²)}×sign(iq*)は√(imax²-id0*²)×sign(iq*)となり、iq0*を√(imax²-id0*²)×sign(iq*)で与える。このとき、電流指令修正器１３が出力する修正磁束成分電流指令id0*と修正トルク成分電流指令iq0*の二乗和の平方根√(id0*²+iq0*²)はimaxに一致する。修正トルク成分電流指令演算器２２はこのような演算を行うことによって、交流回転機の電流振幅の指令値に相当する√(id0*²+iq0*²)をimaxまで許容することができる。

以上のように構成することによって、交流回転機４の回転速度ωの大きさが大きくなると、許容電流振幅imaxが大きくなる。電動パワーステアリングでは回転速度の大きさが所定値よりも大きい場合、連続若しくは繰り返し発生する補助トルクは小さい。換言すると、回転速度の大きさが所定値よりも大きい場合、大きな補助トルクを連続若しくは繰り返し発生させることはないので、この場合、半導体電力変換器が給電可能な最大電流振幅まで電流振幅を許容しても、半導体電力変換器の発熱が連続することはなく、操舵フィーリングも低下しない。
一方、回転速度の大きさが所定値よりも小さい場合、前述したように大きな補助トルクを必要とする「据え切り」や「端当て」が発生することがあり、この「据え切り」や「端当て」は、繰り返したり連続動作したりすることがある。

図４は「端当て」操舵を連続で行った場合における、従来の電動パワーステアリング装置（図中△印）と本実施の形態に記載の電動パワーステアリング装置（図中○印）の時刻と電流振幅の関係をプロットしたものである。「端当て」は舵角が最大に達しているので回転速度は零である。
従来の電動パワーステアリング装置においては、「端当て」操舵中は電流振幅が最大になることがあるので、所定時間以上連続して電流が流れた際に、電流の平均値の大きさに応じて電流の最大値を制限する（a点から減少させる）ことで、大電流が連続して発生することに起因する発熱を防いでいたが、電流振幅が変化することによって、操舵フィーリングが低下していた。

これに対し本実施の形態に記載の電動パワーステアリング装置では、回転速度の大きさが大きくなると、許容する電流振幅が大きくなるようにした（b点から減少させる）ので、回転速度が零の「端当て」操舵時は、従来の電動パワーステアリング装置よりも小さな電流振幅を給電することになるので半導体電力変換器の給電能力を最大限に活用することはできないが、その代わり、「端当て」操舵を連続で行っても半導体電力変換器の給電能力が最大でないので、半導体電力変換器の発熱が抑制できる効果を得る。
半導体電力変換器で発生する損失は電流振幅の二乗に比例するので、電流振幅を３０％小さくすると損失は５０％低減となり、また、電流振幅を１０％小さくするだけでも損失は２０％低減できる。このように半導体電力変換器の給電能力に対して少し電流振幅を小さくするだけで、半導体電力変換器で発生する発熱は効果的に低減できる。

また、図４の「端当て」操舵を連続で行った場合、半導体電力変換器の発熱に起因する電流振幅の制限が始まる時刻（b点）は、従来の電動パワーステアリング装置（a点）よりも４倍以上遅くなる。このように電流振幅の制限が始まる時刻が遅くなったので、電流振幅の制限が始まるような「端当て」操舵をする機会が減少する。その結果、フィーリングが低下する問題から解放、若しくは緩和することができる効果がある。
図４では「端当て」の場合について説明したが、「据え切り」の場合も同様に回転速度が低い条件で発生するので同様の効果が得られることは言うまでもない。

先に述べたように、従来の電動パワーステアリング装置は、大きな補助トルクを必要とする「据え切り」や「端当て」等の動作が、回転速度が小さい領域で発生するため、回転速度がこの領域にある場合、許容する電流振幅は半導体電力変換器の給電能力をできるだけ有効に活用するようにしていた。このため、「据え切り」や「端当て」が連続又は繰り返し発生するとフィーリングが低下する問題がどうしても避けられなかった。

これに対し、本実施の形態における電動パワーステアリング装置では、交流回転機の回転速度の大きさが大きくなると許容する電流振幅が大きくなるようにしたので、回転速度の大きさが小さい領域においては半導体電力変換器の給電能力を最大限に活用することを断念することになるが、その代わりに「据え切り」や「端当て」が連続又は繰り返し発生した場合でも、従来の電動パワーステアリング装置のようにフィーリングが低下する問題から解放、若しくは緩和することができる効果を得ることができる。

また、操舵角が最大操舵角より所定値手前になったことを判定する操舵角判定手段を備える従来の電動パワーステアリング装置では、操舵角検出器が必要となる上に「据え切り」の連続又は繰り返し発生に起因する発熱に対しては効果が得られなかったが、本実施の形態に記載の電動パワーステアリング装置では、操舵角検出器を必要としない上に「端当て」と「据え切り」のいずれに対しても、連続又は繰り返し発生することに対する発熱を抑えることができるという効果がある。

なお、交流回転機４として表面磁石型同期機を用いた場合と埋め込み磁石型同期機を用いた場合とを比較すると、表面磁石型同期機を用いた場合の方が、高回転速度域で出力できるトルクが大きいという利点がある。
通常、埋め込み磁石型同期機はインダクタンスが大きく、磁束成分電流とインダクタンスによって発生する弱め磁束が大きくできるのでトルクが小さい場合、高い回転速度まで駆動できる反面、トルクが大きい場合、トルク成分電流とインダクタンスによって発生する電機子反作用が大きく、電圧飽和が起こりやすい。換言すると、表面磁石型同期機はトルクが大きい場合、トルク成分電流とインダクタンスによって発生する電機子反作用が小さく、電圧飽和が起こりにくいので、高回転速度域で出力できるトルクが大きい。

従って、本実施の形態で開示したように、回転速度が大きくなると交流回転機の許容する電流振幅が大きくなるように制御する制御装置において、該交流回転機を表面磁石型同期機で与えることで、上記効果に加えて、高回転速度域で出力できるトルクも確保できる効果を得る。これによってより高い操舵速度まで「据え切り」を行うことができる電動パワーステアリング装置を得ることができる。
また、電動パワーステアリング装置では、交流回転機のトルクリプルはハンドルの微振動となって現れる。交流回転機４として表面磁石型同期機を用いた場合と埋め込み磁石型同期機を用いた場合とを比較すると、表面磁石型同期機を用いた場合の方が、トルクリプルが小さいという利点がある。従って、交流回転機を表面磁石型同期機で与えることで、上記効果に加えて、ハンドルの微振動が少ない電動パワーステアリング装置を得る効果がある。

実施の形態２．
前記実施の形態１では電流指令修正器１３を図３に示した構成としていたが、磁束成分電流指令とトルク成分電流指令を入れ替えた電流指令修正器１３ａに置換しても良い。図５は、本実施の形態２における電流指令修正器１３ａの内部構成を示す図であり、実施の形態と同一または相当部分には同一の符号を付している。

修正トルク成分電流指令演算器３０は、磁束成分電流指令iq*が-imaxより小さい場合は修正トルク成分電流指令iq0*を-imaxで与え、トルク成分電流指令iq*がimaxより大きい場合は修正トルク成分電流指令iq0*をimaxで与え、それ以外の場合はiq0*をiq*で与える。一方、修正磁束成分電流指令演算器３１は（２）式に従って修正トルク成分電流指令id0*を演算する。

id0*=min{abs(id*),√(imax²-iq0*²)}×sign(id*) ・・・・・（２）

ここで（２）式は、（１）式のトルク成分と磁束成分を入れ替えただけであり、交流回転機の電流振幅の指令値に相当する√(id0*²+iq0*²)をimaxまで許容することができる点については（２）式も（１）式と同じである。

以上のように電流指令修正器１３ａを構成しても、交流回転機４の回転速度ωの大きさが大きくなると、許容電流振幅imaxが大きくなるようになるので、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。即ち、回転速度の大きさが小さい領域においては半導体電力変換器の給電能力を最大限に活用することを断念することになるが、その代わりに「据え切り」や「端当て」が連続または繰り返し発生した場合でも、フィーリングが低下する問題から解放、若しくは緩和することができる。

実施の形態３．
前記実施の形態２の電流指令修正器１３ａを、図６に示す電流指令修正器１３ｂに置換する構成にしても良い。図６は、本実施の形態３における電流指令修正器１３ｂの内部構成を示す図であり、前記実施の形態１、２と同一符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。

許容磁束成分電流演算器４０は回転速度ωに基づいて許容磁束成分電流振幅idmaxを出力する。許容磁束成分電流演算器４０は、回転速度ωの大きさが大きくなると、この許容磁束成分電流振幅idmaxが大きくなるようにし、回転速度ωの大きさが所定値よりも小さくなると許容磁束成分電流振幅idmaxは零になるようにする。
修正磁束成分電流指令演算器４１は、磁束成分電流指令id*が-idmaxより小さい場合は修正磁束成分電流指令id0*を-idmaxで与え、磁束成分電流指令id*がidmaxより大きい場合は修正磁束成分電流指令id0*をidmaxで与え、それ以外の場合はid0*をid*で与える。

本実施の形態では、許容トルク成分電流振幅iqmaxは回転速度ωに関わらず、一定値で与える。この許容トルク成分電流振幅iqmaxの値は、半導体電力変換器５が給電可能な最大電流振幅よりも小さくなるようにしておく。より具体的には、回転速度ωによって変化する許容磁束成分電流振幅idmaxの最大値idmax2と許容トルク成分電流振幅iqmaxの二乗和が半導体電力変換器５が給電できる最大電流振幅、即ち許容電流振幅imaxの二乗に一致するように（３）式で許容トルク成分電流振幅iqmaxを与えておく。

Iqmax＝√(imax²-idmax2²) ・・・・・（３）

許容電流振幅imax及び許容磁束成分電流振幅の最大値idmax2はそれぞれ一定値であるので、許容トルク成分電流振幅iqmaxも一定値である。
修正トルク成分電流指令演算器４２は、トルク成分電流指令iq*が-iqmaxより小さい場合は修正トルク成分電流指令iq0*を-iqmaxで与え、トルク成分電流指令iq*がiqmaxより大きい場合は修正トルク成分電流指令iq0*をiqmaxで与え、それ以外の場合はiq0*をiq*で与える。

なお、磁束成分電流演算器１２は回転速度ωが入力され、回転速度が低い場合は磁束成分電流指令を零とし、回転速度が大きくなると磁束成分電流指令の振幅も大きくなるようにしてあって、且つ、修正トルク成分電流指令演算器４２の許容トルク成分電流振幅iqmaxが（３）式を満足するようにしてあれば、本実施の形態に記載の許容磁束成分電流演算器４０および修正磁束成分電流指令演算器４１が作用する機能を磁束成分電流演算器１２に持たせることも可能であり、この場合、許容磁束成分電流演算器４０および修正磁束成分電流指令演算器４１は省略しても良い。

以上のように電流指令修正器１３ｂを構成しても、交流回転機４の回転速度ωの大きさが大きくなると、許容電流振幅が大きくなるようにできる。この場合、回転速度ωの大きさが大きくなり許容電流振幅が大きくなっても許容するトルク成分電流の振幅は変化しないが、許容トルク成分電流振幅iqmaxは一定値で済むので、電流指令修正器１３ｂの演算を簡素にできるといった効果を得る。

図７は、許容する電流振幅が回転速度に応じて変化する様子を示したものである。図７（ａ）は本実施の形態に記載の電動パワーステアリング装置について示しており、許容磁束成分電流演算器４０は、回転速度ωの大きさが所定値よりも小さくなると許容磁束成分電流振幅idmaxが零になるようにしたので、回転速度ωの大きさが所定値よりも小さい領域で許容する電流振幅は許容トルク成分電流振幅iqmaxとなる。

ここで、許容磁束成分電流振幅idmaxを零にする所定の回転速度は「据え切り」や「端当て」の発生しない回転速度が望ましい。例えば、「据え切り」が発生する領域は高々、ハンドル１の操舵速度が概ね100〜300deg/sの範囲であるので、この操舵速度にギア８のギア比を乗算することで前記所定の回転速度を求めることができる。

また、許容磁束成分電流演算器４０は、回転速度ωの大きさが大きくなると、許容磁束成分電流振幅idmaxが大きくなるようにし、許容磁束成分電流振幅idmaxの最大値がidmax2である。許容磁束成分電流振幅が最大値のidmax2のとき、idmax2とiqmaxの二乗和が許容電流振幅imaxの二乗に一致するようにしているので、回転速度ωの大きさが大きくなると、許容する電流振幅は許容電流振幅imaxに到達する。なお、回転子に永久磁石を用いる交流回転機は回転速度が高くなるにつれ誘起電圧が高くなり、これが半導体電力変換器が印加可能な電圧振幅近傍に達すると、トルク成分電流を許容トルク成分電流振幅iqmaxまで給電することができず、トルク成分電流は回転速度が高くなるに連れ減衰する。

図７（ｂ）は従来の電動パワーステアリング装置について示しており、回転速度ωの大きさが小さい場合は、半導体電力変換器を無駄なく使いこなすように半導体電力変換器が給電できる最大電流をすべてトルク成分電流に割り当てていた。なお、回転子に永久磁石を用いる交流回転機は回転速度が高くなるにつれ誘起電圧が高くなる。誘起電圧が、半導体電力変換器が印加可能な電圧振幅近傍に達すると、トルク成分電流を給電することができず、トルク成分電流は回転速度が高くなるに連れ減衰する点は、従来の電動パワーステアリングも同様である。

図７（ａ）、（ｂ）を比較して判るように本実施の形態に記載の電動パワーステアリングは回転速度ωの大きさが大きくなると、この許容する電流振幅が大きくなるようにすることで、回転速度の大きさが小さい領域においては半導体電力変換器の給電能力を最大限に活用することを断念することになるが、その代わりに「据え切り」や「端当て」が連続して発生した場合にフィーリングが低下する問題から解放、若しくは緩和することができる。

実施の形態４．
前記実施の形態３では、許容トルク成分電流振幅iqmaxは一定値で与えていたが、「端当て」の発生は回転速度が零であるので、回転速度が零近傍では許容トルク成分電流振幅も小さくしても良い。そこで、本実施の形態では、前記実施の形態３に記載の電流指令修正器１３ｂを図８に記載の電流指令修正器１３ｃに置換する。図８は、本実施の形態４における電流指令修正器１３ｃの内部構成を示す図であり、前記実施の形態と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。

許容トルク成分電流演算器５０は回転速度ωに基づいて許容トルク成分電流振幅iqmaxを出力する。許容トルク成分電流演算器５０は、回転速度ωの大きさが第２の所定値よりも大きくなると、許容トルク成分電流振幅iqmaxを一定に保ち、回転速度ωの大きさが第２の所定値よりも小さくなると許容トルク成分電流振幅iqmaxは小さくなるようにする。修正トルク成分電流指令演算器５１は、トルク成分電流指令iq*が-iqmaxより小さい場合は修正トルク成分電流指令iq0*を-iqmaxで与え、トルク成分電流指令iq*がiqmaxより大きい場合は修正トルク成分電流指令iq0*をiqmaxで与え、それ以外の場合はiq0*をiq*で与える。

本実施の形態では、許容トルク成分電流演算器５０が出力する許容トルク成分電流振幅iqmaxの最大値iqmax2の値は、半導体電力変換器５が給電可能な最大電流振幅よりも小さくなるようにしておく。即ち、回転速度ωの大きさが第２の所定値よりも大きくなると、許容トルク成分電流演算器５０は許容トルク成分電流振幅としてiqmax2を出力する。そして、回転速度ωによって変化する許容磁束成分電流振幅idmaxの最大値idmax2と許容トルク成分電流振幅iqmaxの最大値iqmax2の二乗和が半導体電力変換器５が給電できる最大電流振幅、即ち許容電流振幅imaxの二乗に一致するように（４）式で許容トルク成分電流振幅iqmax2を与える。

iqmax2=√(imax²-idmax2²) ・・・・・（４）

図９は、本実施の形態に記載の電動パワーステアリング装置において、許容する電流振幅が回転速度に応じて変化する様子を示したものである。許容磁束成分電流演算器４０は、回転速度ωの大きさが第１の所定値xよりも小さくなると許容磁束成分電流振幅idmaxが零になるようにしたので、回転速度ωの大きさが第１の所定の回転速度xよりも小さい領域で且つ、第２の所定の回転速度yよりも大きい領域で許容する電流振幅は、許容トルク成分電流振幅iqmaxとなる。また、回転速度ωの大きさが第２の所定の回転速度yよりも小さい場合、許容トルク成分電流演算器５０は、許容トルク成分電流振幅iqmaxは更に小さくなる。

ここで、許容トルク成分電流振幅iqmaxを小さくする第２の所定の回転速度yは「端当て」の発生しない回転速度が望ましい。例えば、「端当て」が発生する領域は、ハンドル１の操舵速度が停止している状態であるので、第２の所定の回転速度yは零近傍となる数十deg/sの操舵速度にギア８のギア比を乗算することで前記第２の所定の回転速度yを与えても良い。

また、許容磁束成分電流演算器４０は、回転速度ωの大きさが大きくなると、許容磁束成分電流振幅idmaxが大きくなるようにし、許容トルク成分電流演算器５０は、回転速度ωの大きさが大きくなると、許容トルク成分電流振幅iqmaxが大きくなるようにしている。
許容磁束成分電流振幅idmaxの最大値がidmax2であり、許容トルク成分電流振幅iqmaxの最大値がiqmax2である。許容磁束成分電流振幅及び許容トルク成分電流振幅が最大値のとき、idmax2とiqmax2の二乗和が許容電流振幅imaxの二乗に一致するようにしているので、回転速度ωの大きさが大きくなると、許容する電流振幅は許容電流振幅imaxに到達する。

なお、回転子に永久磁石を用いる交流回転機は回転速度が高くなるにつれ誘起電圧が高くなり、誘起電圧が、半導体電力変換器が印加可能な電圧振幅近傍に達すると、許容トルク成分電流振幅iqmax2までトルク成分電流を給電することができず、回転速度が高くなるに連れトルク成分電流が減衰する点は図６と同様である。

実施の形態５．
本発明における電動パワーステアリング装置は回転速度の大きさが小さいと許容する電流振幅も小さくなるようにしたので、従来の電動パワーステアリング装置と同じ交流回転機を用いると発生できる補助トルクが小さくなってしまう。

交流回転機が発生できるトルクは回転子磁束φと許容トルク成分電流振幅iqmaxの積に比例するので、許容トルク成分電流振幅iqmaxが従来の電動パワーステアリング装置よりも小さい分だけ、交流回転機の回転子磁束φを従来の電動パワーステアリング装置より大きくするようにしても良い。即ち、従来の電動パワーステアリング装置に対して許容トルク成分電流振幅の大きさを小さくした分、反比例するように交流回転機の回転子磁束φを与えるようにしても良い。

図１０は、許容する電流振幅と交流回転機が発生できる最大トルクを示したものである。図１０（ａ）上段は本実施の形態に記載の電動パワーステアリング装置の許容する電流振幅について示しており、許容磁束成分電流演算器４０は、回転速度ωの大きさが所定値xよりも小さくなると許容磁束成分電流振幅idmaxが零になるようにしたので、回転速度ωの大きさが所定値よりも小さい領域で許容する電流振幅は許容トルク成分電流振幅iqmaxとなる点は本発明の実施の形態３の図７と同じである。

本実施の形態では、交流回転機の回転子磁束が従来の電動パワーステアリング装置よりも大きくなるようにする。その結果、回転速度の大きさが小さい場合に許容する電流振幅が小さくなっても従来の電動パワーステアリング装置と同等のトルクを得ることが可能である。図１０（ａ）下段は本実施の形態に記載の電動パワーステアリング装置の交流回転機が発生できる最大トルクについて示しており、図において破線は回転子磁束が図１０（ｂ）に記載の従来の電動パワーステアリング装置の交流回転機と同じ場合であり、実線は回転子磁束を許容トルク成分電流振幅が小さい分だけ従来の電動パワーステアリング装置の交流回転機より大きくした場合である。

図を見て判るように、図１０（ａ）下段の実線は、許容トルク成分電流振幅を従来装置より小さくしているにもかかわらず、回転子磁束を大きくした分だけトルクが大きくなる。その一方、回転子磁束が従来の電動パワーステアリング装置よりも大きくなるようにすると誘起電圧が大きくなるので、従来の電動パワーステアリング装置よりも回転子磁束を打ち消す磁束成分電流の振幅を大きくする必要がある。そこで、図１０（ａ）上段のように回転速度の大きさが大きくなるに連れ磁束成分電流を大きくするようにしている。

なお、回転子磁束を打ち消す磁束成分電流が必要となる回転速度は、「据え切り」や「端当て」の発生しない回転速度であるので、大きな電流が連続して発生したり、繰り返し発生することは稀であり、回転速度の大きさが大きい場合に許容する電流振幅を大きくしても「据え切り」や「端当て」のような半導体電力変換器の発熱に起因する問題は発生しない。

図１０（ｂ）は従来の電動パワーステアリング装置の場合について示したものであり、図１０（ａ）に比較して許容する電流振幅と発生できる最大トルクは同じである。しかし、回転速度の大きさに関係なく許容する電流振幅が同じであるので、「据え切り」や「端当て」の発生する小さな回転速度でも許容する電流振幅は変化せず、「据え切り」や「端当て」が連続して発生するとフィーリングが低下する。

このように交流回転機の回転子磁束を従来の電動パワーステアリング装置よりも大きくすれば、「据え切り」や「端当て」が連続して発生した場合にフィーリングが低下する問題から解放、若しくは緩和させつつ、「据え切り」や「端当て」に発生できる補助トルクは従来の電動パワーステアリング装置と同等にすることができる効果を得る。

１ ハンドル、 ２ トルク検出手段、 ３ 制御手段、
４ 交流回転機、 ５ 半導体電力変換器、 ６ 電流検出手段、
７ 回転位置検出手段、 ８ ギア、 ９ 前輪、
１０ トルク成分電流指令演算器、 １１ 回転位置変化率演算器、
１２ 磁束成分電流指令演算器、 １３、１３a、１３b、１３c 電流指令修正器、
１４、１６ 座標変換器、 １５ 電流制御器、 ２０ 許容電流演算器、
２１、３１、４１ 修正磁束成分電流指令演算器、
２２、３０、４２ 修正トルク成分電流指令演算器、
５０ 許容トルク成分電流演算器。

Claims (7)

1. ステアリング系の操舵トルクを補助する補助トルクを発生する交流回転機と、前記操舵トルク検出するトルク検出手段と、前記トルク検出手段による検出トルクに基づいて生成した磁束成分電流指令とトルク成分電流指令を利用して、前記交流回転機を制御する半導体電力変換器への電圧指令を演算する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記交流回転機の回転速度が大きくなると該交流回転機の許容する電流振幅を大きくし、前記交流回転機の回転速度が小さくなると許容する電流振幅を小さくするように制御する電流指令修正器を有することを特徴とした電動パワーステアリング装置。
2. 前記電流指令修正器は、前記磁束成分電流指令とトルク成分電流指令の関係が前記交流回転機に給電する電流振幅の許容範囲内であれば上記両指令をそのまま出力し、上記両指令の関係が電流振幅の許容範囲を超えていれば許容範囲内となるように上記両指令の少なくとも一方を修正するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記電流指令修正器は、前記交流回転機の電流を磁束成分電流とトルク成分電流に分解してこれらを互いに独立に制御するものとし、許容するトルク成分電流の振幅は一定にするとともに、前記交流回転機の回転速度が大きくなると前記磁束成分電流の振幅が大きくなるように制御することを特徴とした請求項２記載の電動パワーステアリング装置。
4. 前記電流指令修正器は、前記交流回転機の電流を磁束成分電流とトルク成分電流に分解してこれらを互いに独立に制御するものとし、前記交流回転機の回転速度が大きくなると前記磁束成分電流の振幅が大きくなるとともに、前記回転速度が所定値よりも小さくなると許容する前記トルク成分電流の振幅が小さくなるように制御することを特徴とした請求項２記載の電動パワーステアリング装置。
5. 前記電流指令修正器は、前記操舵トルクに基づいて生成したトルク成分電流指令と、前記交流回転機の回転速度に基づいて生成した磁束成分電流指令と、前記交流回転機の回転速度とに基づいて、修正磁束成分電流指令と修正トルク成分電流指令を生成し、前記磁束成分電流指令と前記トルク成分電流指令が前記修正磁束成分電流指令と前記修正トルク成分電流指令にそれぞれ一致するような電圧を前記交流回転機に印加するとともに、前記修正磁束成分電流指令と前記修正トルク成分電流指令は、前記磁束成分電流指令と前記トルク成分電流指令の二乗和が前記許容する電流振幅の二乗を超えないように修正して前記磁束成分電流指令と前記トルク成分電流指令を生成するようにしたことを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。
6. 許容するトルク成分電流の振幅が小さくなった分、交流回転機の回転子磁束を大きくすることを特徴とする請求項４に記載の電動パワーステアリング装置。
7. 前記交流回転機として表面磁石型同期機で構成したことを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。

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