CN103944475B - 电动动力转向装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动动力转向装置，在电动动力转向装置的具有多个系统的线圈与驱动电路的马达的驱动控制方法中，为减少在进行无传感器控制的情况下的运算量，电角推定器（110）具备：对第一线圈（221）、第二线圈（222）的两相固定坐标系的电压矢量进行相加的α轴电压成分加法器（115）、β轴电压成分加法器（116）；对在两相固定坐标系的电流矢量进行相加的α轴电流成分加法器（117）、β轴电流成分加法器（118）；以及基于相加得到的电压矢量与电流矢量来运算感应电压（E）的感应电压运算器（119）。

Description

电动动力转向装置

本申请主张于2013年1月18日提出的日本专利申请2013-007201号的优先权，并在此引用包括说明书、附图和说明书摘要的全部内容。

技术领域

本发明涉及一种电动动力转向装置，其基于驾驶员的转向操作对电动马达进行驱动控制从而产生转向操作辅助转矩。

背景技术

以往，电动动力转向装置检测驾驶员对方向盘施加的转向操作转矩，并利用基于检测出的转向操作转矩而设定的控制量来驱动电动马达从而辅助司机的转向操作。还公知有通过两个驱动系统来独立地驱动该电动马达的电动动力转向装置。例如，在日本特开2011-78230号公报中提出的电动动力转向装置构成为：三相无刷马达的定子具备两个系统的三相线圈，通过两个逆变器独立地对各三相线圈进行通电。在驱动这样的无刷马达的情况下，为控制三相的相位而设置用于检测马达的旋转角的旋转角传感器。利用被该旋转角传感器检测的旋转角来导出马达的电角。

在旋转角传感器发生故障的情况下，就不能控制无刷马达的相位。因此，还公知有如下的电动动力转向装置，其在旋转角传感器发生故障的情况下，根据由无刷马达产生的感应电压（反电动势）来推定电角，使用该推定出的电角（推定电角）来驱动控制无刷马达。像这样使用推定电角的无刷马达的控制被称作无传感器控制。该控制方法例如在日本特开2008-87756号公报中被提出。

然而，若要对利用两个驱动系统独立地驱动无刷马达的电动动力转向装置实施无传感器控制，则感应电压的运算量会变为2倍，因而会增加微电脑的运算负担。

发明内容

本发明的目的之一就是对上述现象进行处理，减少在利用多个驱动系统来驱动控制马达的电动动力转向装置中进行无传感器控制时的运算量。

为实现上述目的，本发明的一实施方式的电动动力转向装置具有：永磁式同步马达，其是被设置于转向机构并产生转向操作辅助转矩的马达，该永磁式同步马达的马达定子具备驱动系统不同的多组三相线圈；马达驱动单元，其具有与上述多组三相线圈分别对应而设置的驱动电路，该马达驱动单元从各驱动电路独立地进行向三相线圈的通电从而驱动上述永磁式同步马达；电角推定器，其运算上述永磁式同步马达的推定电角；以及马达控制装置，其基于由上述电角推定器运算出的推定电角来控制上述马达驱动单元的各驱动电路从而驱动上述永磁式同步马达。

上述电角推定器具有：三相/两相电压矢量变换器，其按每组上述三相线圈，将向三相线圈供给的电压的、在三相固定坐标系中表示的电压矢量变换为在两相固定坐标系中表示的电压矢量，三相/两相电流矢量变换器，其按每组上述三相线圈，将流向三相线圈的电流的、在三相固定坐标系中表示的电流矢量变换为在两相固定坐标系中表示的电流矢量；电压矢量加法器，其对各三相线圈的在两相固定坐标系中表示的电压矢量进行相加；电流矢量加法器，其对各三相线圈的在两相固定坐标系中表示的电流矢量进行相加；以及感应电压运算器，其根据由上述电压矢量加法器计算出的加法电压矢量、和由上述电流矢量加法器计算出的加法电流矢量，运算在上述永磁式同步马达中产生的感应电压，上述电角推定器基于上述运算出的感应电压来推定上述永磁式同步马达的电角。

在上述实施方式的电动动力转向装置中，转向机构具备永磁式同步马达（以下称作马达），利用该马达所产生的转矩来辅助司机的转向操作。作为永磁式同步马达的代表例举三相无刷马达。马达在马达定子上具备驱动系统不同的多组三相线圈，通过来马达驱动电路单元的通电驱动该马达。马达驱动电路单元具有分别与多组三相线圈对应而设置的驱动电路，以从各驱动电路独立地进行向三相线圈的通电的方式而构成。马达控制装置根据由电角推定器运算出的推定电角来控制马达驱动电路单元的各驱动电路。由此，通过目标控制量来驱动马达。目标控制量例如根据司机输入的转向操作转矩来设定。

电角推定器具备三相/两相电压矢量变换器、三相/两相电流矢量变换器、电压矢量加法器、电流矢量加法器以及感应电压运算器，并根据计算出的感应电压来推定马达的电角。

三相/两相电压矢量变换器按每组三相线圈，将供给到三相线圈的电压的、在三相固定坐标系中表示的电压矢量变换为在两相固定坐标系中表示的电压矢量。另外，三相/两相电流矢量变换器按每组三相线圈，将流向三相线圈的电流的、在三相固定坐标系中表示的电流矢量变换为在两相固定坐标系中表示的电流矢量。在此，两相固定坐标是指所谓的α-β坐标，是将对称三相交流坐标变换为与其等价的两相交流坐标，例如是用正交的α轴与β轴来表示、以使α轴与U相轴一致的方式进行配置的固定坐标。

电压矢量加法器对在各三相线圈的两相固定坐标系中表示的电压矢量进行相加。例如，在由两相固定坐标系用α-β坐标表示的情况下，计算由各三相线圈的在两相固定坐标系中表示的以电压矢量的α轴成分的相加值与β轴成分的相加值表示的电压矢量。另外，电流矢量加法器对在各三相线圈的由两相固定坐标系所表示的电流矢量进行相加。例如，在由两相固定坐标系用α-β坐标表示的情况下，计算由各三相线圈的在两相固定坐标系中表示的以电流矢量的α轴成分的相加值与β轴成分的相加值表示的电流矢量。

感应电压运算器根据由电压矢量加法器计算出的加法电压矢量、和由电流矢量加法器计算出的加法电流矢量来运算在马达中产生的感应电压。例如，能够通过从加法电压矢量减去由加法电流矢量、三相线圈的绕线电阻以及线圈电感计算的电压量来计算感应电压矢量。

在这种情况下，对由线圈电感产生的电压量的计算而言，需要进行运算负担大的电流值的微分运算。在按每组各三相线圈来计算感应电压的情况下，需要按每个三相线圈的系统进行电流值的微分运算，但在本实施方式中，由于根据将各三相线圈的在两相固定坐标系中表示的电压矢量相加得到的加法电压矢量与将电流矢量相加得到的加法电流矢量来运算感应电压，所以不需要以系统为单位进行电流值的微分运算。因此，根据本实施方式，能够减少进行无传感器控制情况下的运算量。

此外，对马达的电角的推定而言，例如也可以按规定的周期运算感应电压，根据该感应电压的大小求出马达的推定角速度，利用该推定角速度将马达一个运算周期旋转的量作为电角变化量来计算，通过在马达旋转方向上将电角变化量加到一个运算周期前的推定电角来计算推定电角。或者也可以根据两相固定坐标系的感应电压的矢量的方向来计算推定电角。

附图说明

通过以下参照附图对本发明的实施方式示例进行详细描述，本发明的上述及其他特征和优点会变得更加清楚，其中，相同的附图标记表示相同的要素。

图1是本发明的实施方式的电动动力转向装置的概略结构图。

图2是表示ECU的微型计算机的处理的功能框图。

图3是马达驱动电路单元的结构图。

图4是在与马达的旋转轴正交的平面切断的剖面示意图，是表示马达的三相线圈的配置、α-β坐标（固定坐标）、d-q坐标（旋转坐标）的说明图。

图5是流向两个线圈的三相电流的波形图。

图6是表示辅助映射表的图表。

图7是电角推定器的功能框图。

图8是表示三相固定坐标系与两相固定坐标系的关系的说明图。

图9是表示推定电角的计算方法的说明图。

图10是表示分割α-β坐标平面的区域的说明图。

图11是表示旋转方向推定程序的流程图。

图12是在其他的例子中的与马达的旋转轴正交的平面切断的剖面示意图，是表示马达的三相线圈的配置、α-β坐标（固定坐标）、d-q座标（旋转坐标）的说明图。

具体实施方式

以下，使用附图对本发明的一实施方式所涉及的电动动力转向装置进行说明。图1表示该实施方式所涉及的车辆的电动动力转向装置的概略结构。

该电动动力转向装置作为主要部分具备：转向机构10，其利用方向盘11的转向操作使转向轮转向；马达20，其组装于转向机构10并产生转向操作辅助转矩；马达驱动单元50，其驱动马达20；以及电子控制装置100，其控制马达驱动单元50。以下，将电子控制装置100称作ECU100。

转向机构10是用于利用方向盘11的旋转操作使左右前轮FWL、FWR转向的机构，其具备在上端以一体旋转的方式连接方向盘11的转向轴12。在该转向轴12的下端以一体旋转的方式连接有小齿轮13。小齿轮13与形成于齿条（rack bar）14的齿条齿啮合，并与齿条14一起构成齿条小齿轮机构。在齿条14的两端，经由转向横拉杆15L、15R可进行转向操作地连接有左右前轮FWL、FWR的转向节（省略图示）。左右前轮FWL、FWR根据齿条14伴随着转向轴12绕轴线的旋转而在轴线方向的移位，向左右进行转向操作。

在齿条14上组装有马达20。该马达20是永磁式同步马达。在本实施方式中，使用永磁式同步马达的代表亦即三相无刷马达。马达20的输出轴经由滚珠丝杠机构16以能够传递动力的方式与齿条14连接，利用其旋转对左右前轮FWL、FWR施加转向力来辅助转向操作。滚珠丝杠机构16作为减速机以及旋转-直线变换器而起作用，其将马达20的旋转减速并变换为直线运动而传递至齿条14。

在转向轴12上设置有转矩传感器17。转矩传感器17例如通过分解器等来检测夹装于转向轴12的中间部的扭杆（省略图示）的扭转角度，根据该扭转角来检测作用于转向轴12的转向操作转矩Tr。通过转向操作转矩Tr的正负值来识别方向盘11的操作方向。例如，当方向盘11向左方向转向操作时，用正值表示转向操作转矩Tr；当方向盘11向右方向转向操作时，用负值表示转向操作转矩Tr。此外，在本实施方式中，虽利用分解器来检测扭杆的扭转角度，但也可以利用编码器等其他旋转角传感器来检测。

在马达20上设置有旋转角传感器18。该旋转角传感器18安装于马达20内，输出与马达20的转子的旋转角度位置对应的检测信号，例如由分解器构成。旋转角传感器18将表示马达20的旋转角θm的检测信号输出至ECU100。ECU100根据该旋转角θm检测马达20的电角θe。此外，马达20的电角θe有利用旋转角传感器18检测出的电角和后述的通过推定求得的电角这两种，所以，在需要区别两者的情况下，将利用旋转角传感器18检测出的电角称作实电角θea，而将通过推定求得的电角称作推定电角θeb。另外，在本实施方式中，使用分解器作为旋转角传感器18，但也可以使用编码器等其他旋转角传感器。

如图4所示，马达20具备：转子21，其具备永磁铁；以及定子22，其具备2组驱动系统不同的三相线圈（图3所示的第一线圈221和第二线圈222）。如图3所示，第一线圈221具备第一U相线圈U1、第一V相线圈V1以及第一W相线圈W1并卷绕于在定子铁芯23上设置的齿24。第一U相线圈U1构成为，将以夹着转子21而相互相向的方式配设的U相线圈U11与U相线圈U12串联连接。第一V相线圈V1构成为，将设置于比第一U相线圈U1沿周向错开120°的位置且以夹着转子21而相互相向的方式配设的V相线圈V11与V相线圈V12串联连接。第一W相线圈W1构成为，将设置于比第一U相线圈U1以及第一V相线圈V1沿周向错开120°的位置且以夹着转子21而相互相向的方式配设的W相线圈W11与W相线圈W12串联连接。第一U相线圈U1、第一V相线圈V1以及第一W相线圈W1分别在一侧端电连接，从而形成中性点M1。

第二线圈222具备第二U相线圈U2、第二V相线圈V2以及第二W相线圈W2并卷绕于在定子铁芯23上设置的齿24。第二U相线圈U2构成为，将设置于比第一U相线圈U1沿周向错开30°的位置且以夹着转子21而相互相向的方式配设的U相线圈U21与U相线圈U22串联连接。第二V相线圈V2构成为，将设置于比第二U相线圈U2沿周向错开120°的位置且以夹着转子21而相互相向的方式配设的V相线圈V21与V相线圈V22串联连接。第二W相线圈W2构成为，将设置于比第二U相线圈U2以及第二V相线圈V2沿周向错开120°的位置且以夹着转子21而相互相向的方式配设的W相线圈W21与W相线圈W22串联连接。第二U相线圈U2、第二V相线圈V2以及第二W相线圈W2分别在一侧端电连接，从而形成中性点M2。

图1所示的马达驱动单元50具备：用于向第一线圈221通电的第一驱动电路30以及用于向第二线圈222通电的第二驱动电路40。经由图3所示的电源线611与地线621从车载电池60向第一驱动电路30供电。第一驱动电路30利用由MOS-FET（Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管）构成的6个开关元件31～36构成三相逆变电路。具体而言，其构成为：将串联连接第一开关元件31与第二开关元件32而成的电路、串联连接第三开关元件33与第四开关元件34而成的电路以及串联连接第五开关元件35与第六开关元件36而成的电路并列连接，并从两个开关元件31、32间设置与第一线圈221的第一U相线圈U1连通的第一U电力供给线37U，从两个开关元件33、34间设置与第一线圈221的第一V相线圈V1连通的第一V相电力供给线37V，从两个开关元件35、36间设置与第一线圈221的第一W相线圈W1连通的第一W相电力供给线37W。

在三个电力供给线37U、37V、37W上分别设置有相开放继电器38U、38V、38W，能够通过关闭相开放继电器38U、38V、38W即断开接点来阻断向第一线圈221的通电。另外，在地线621与开关元件32、34、36之间分别设置有分流电阻39U、39V、39W，并设置有通过测定分流电阻39U、39V、39W的两端电压来检测流向各相的电流的第一电流传感器71。另外，如图1所示，在第一驱动电路30中设置有检测三个电力供给线37U、37V、37W的对地电位的第一电压传感器73。

在第一驱动电路30中设置有连接电源线611与地线621的平滑用电容器631。另外，在电源线611上设置有电源继电器641。

经由电源线612与线622从车载电池60向第二驱动电路40供电。第二驱动电路40与第一驱动电路30相同，利用由MOS-FET构成的6个的开关元件41～46构成三相逆变电路。对第二驱动电路40而言，从两个开关元件41、42间设置有与第二线圈222的第二U相线圈U2连通的第二U电力供给线47U，从两个开关元件43、44间设置有与第二线圈222的第二V相线圈V2连通的第二V相电力供给线47V，从两个开关元件45、46间设置有与第二线圈222的第二W相线圈W2连通的第二W相电力供给线47W。

在三个电力供给线47U、47V、47W上分别设置有相开放继电器48U、48V、48W，能够通过关闭（断开）相开放继电器48U、48V、48W来阻断向第二线圈222的通电。另外，在地线622与开关元件42、44、46之间分别设置有分流电阻49U、49V、49W，并设置有通过测定分流电阻49U、49V、49W的两端电压来检测流向各相的电流的第二电流传感器72。另外，如图1所示，在第二驱动电路40上设置有检测三个电力供给线47U、47V、47W的对地电位的第二电压传感器74。

在第二驱动电路40上设置有连接电源线612与地线622的平滑用电容器632。另外，在电源线612上设置有电源继电器642。

对车载电池60而言，在正极上连接有主电源线61，该主电源线61分支为第一电源线611和第二电源线612。另外，在车载电池60负极上连接有主地线62，该主地线62分支为第一地线621和第二地线622。在主电源线61上设置有平滑用线圈63。

将利用第一电压传感器73以及第二电压传感器74检测出的检测值输出至ECU100。利用第一电压传感器73以及第二电压传感器74检测出的电压是向第一线圈221以及第二线圈222供给的三相电压（端子电压），但对后述的感应电压的运算而言，需要各相线圈的两端电压，所以ECU100根据被检测出的线圈的端子电压来计算各相的两端电压。所谓各相线圈的两端电压是指例如在第一线圈221中第一U相线圈U1的两端电压vu1、第一V相线圈V1的两端电压vv1以及W相线圈W1的两端电压vw1。另外，在第二线圈222中，是指第二U相线圈U2的两端电压vu2、第二V相线圈V2的两端电压vv2以及W相线圈W2的两端电压vw2。以下，将这些两端电压vu1、vv1、vw1、vu2、vv2、vw2称作线圈电压vu1、vv1、vw1、vu2、vv2、vw2。

对线圈电压vu1、vv1、vw1而言，计算第一线圈221的中性点M1的电压、与第一线圈221的各端子电压即第一电压传感器73的检测值之差即可。另外，中性点M1的电压能够对第一线圈221的端子电压的合计值取1/3来计算。同样地，对线圈电压vu2、vv2、vw2而言，计算第二线圈222的中性点M2的电压、与第二线圈222的各端子电压即第二电压传感器74的检测值之差即可。另外，中性点M2的电压能够对第二线圈222的端子电压的合计值取1/3来计算。像这样的计算实际是在ECU100中执行的，但这里将第一电压传感器73、第二电压传感器74的检测值作为线圈电压vu1、vv1、vw11、vu2、vv2、vw2进行说明。

另外，将利用图1所示的第一电流传感器71检测的在第一线圈221的第一U相线圈U1中流动的电流称作线圈电流iu1，在第一V相线圈V1中流动的电流称作线圈电流iv1，在第一W相线圈W1中流动的电流称作线圈电流iw1。同样地，将利用第二电流传感器72检测的在第二线圈222的第二U相线圈U2中流动的电流称作线圈电流iu2，在第二V相线圈V2中流动的电流称作线圈电流iv2，在第二W相线圈W2中流动的电流称作线圈电流iw2。

第一驱动电路30的各开关元件31～36以及第二驱动电路40的各开关元件41～46的栅极分别与ECU100连接，利用从ECU100输出的PWM控制信号来控制占空比。因此能够将马达20的驱动电压调整为目标电压。马达20具备两个线圈221、222，各线圈221、222由独立的驱动电路30、40通电。换句话说，本实施方式的电动动力转向装置构成为由两个独立的驱动系统来驱动马达20。因此，ECU100在与两个线圈221、222通电的状态下生成PWM控制信号以使马达20输出目标辅助转矩。

如图4所示，在这种情况下，将第一线圈221与第二线圈222沿定子22的周向错开30°而设置2组，所以将U相线圈U11与U相线圈U21的中间位置作为电角的原点（后述的α轴），将从α轴观察的U相线圈U11方向定义为偏移角θ1，将从α轴观察的U相线圈U21方向定义为偏移角θ2。如图5所示，在第一线圈221、第二线圈222中流动的电流的相位仅调整偏移角θ1、偏移角θ2。

ECU100将由CPU、ROM、RAM等构成的微型计算机作为主要部分而构成。如图1所示，ECU100将转矩传感器17、旋转角传感器18、电流传感器71、72、电压传感器73、74、以及检测车速的车速传感器19连接起来，并输入转向操作转矩Tr、旋转角θm、线圈电流iu1、iv1、iw1、iu2、iv2、iw2、线圈电压vu1、vv1、vw1、vu2、vv2、vw2、以及表示车速Vx的检测信号。而且，根据输入的检测信号运算在马达20的各线圈221、222中流动的指令电流，以便获得对应于驾驶员的转向操作的最佳的转向操作辅助转矩（以下简称辅助转矩），以使该指令电流流动的方式控制各驱动电路30、40的各开关元件31～36、41～46的占空比。

另外，ECU100将两个电源继电器641、642连接起来，能够通过对该电源继电器641、642发送开闭控制信号来控制向各驱动电路30、40的供电状态（图3）。ECU100将6个相开放继电器38U、38V、38W、48U、48V、48W连接起来，能够通过对这些相开放继电器38U、38V、38W、48U、48V、48W发送开闭控制信号来分别独立地接通/切断向各线圈U1、V1、W1、U2、V2、W2的通电电路。

接下来，对ECU100进行的马达20的控制进行说明。如图4所示，ECU100利用使用了d-q坐标系的电流矢量控制来控制马达20的旋转，上述d-q坐标系将d轴规定为设置于马达20的旋转件的永磁铁的磁场贯穿的方向（朝向N极的方向），将q轴规定为与d轴正交的方向（电角相对于d轴前进π/2rad的方向）。该d-q坐标系由于与马达20的转子21的旋转一起旋转，因而成为两相旋转坐标系。电角θe用贯穿马达20的U相线圈的轴与d轴的夹角来表示。在图4的例子中，由于第一线圈221与第二线圈222沿定子22的周向错开30°而设置有2组，所以将两者的U相线圈U1、U2的中间位置设定为U相轴。该U相轴与后述的固定于定子的两相固定坐标系亦即α-β坐标系的α轴是一致的。

将d-q坐标系的电流矢量的d轴成分称作d轴电流，将q轴成分称作q轴电流。q轴电流以沿q轴方向产生磁场的方式而起作用。因此，q轴电流产生马达转矩。另一方面，由于d轴电流沿d轴方向产生磁场，所以不产生马达转矩，而被用于弱磁场控制。ECU100为获得最大的马达转矩效率而控制电流相位，以使电流矢量在q轴上移动而使d轴电流变为零。

ECU100在进行这样的电流矢量控制时，通过检测电角θe来规定d-q坐标轴。该电角θe根据由旋转角传感器18检测的旋转角信号而求得，但是在旋转角传感器18发生故障的情况下，不能求得电角θe。因此，在旋转角传感器18发生故障的情况下，ECU100通过后述的处理来计算推定电角θeb，使用该推定电角θeb来进行电流矢量控制。使用推定电角θeb进行的马达控制被称作无传感器控制。

接下来，根据图2对ECU100的功能进行说明。图2是表示利用ECU100的微型计算机的程序控制来进行处理的功能的功能框图。各功能部以规定的短运算周期重复该处理。ECU100具备辅助转矩设定器101。辅助转矩设定器101存储图6所示的辅助映射表。辅助映射表是按照具有代表性的多个车速Vx设定转向操作转矩Tr与目标辅助转矩Tr＊的关系的关联数据。辅助转矩设定器101，输入由车速传感器19检测的车速Vx、和由转矩传感器17检测的转向操作转矩Tr，并参照辅助映射表，从而根据车速Vx与转向操作转矩Tr计算目标辅助转矩Tr＊。此外，图6是向左方向转向操作时的辅助映射表，向右方向转向操作时的辅助映射表相对于向左方向的是将转向操作转矩Tr与目标辅助转矩Tr＊的符号分别取反，即设为负。

辅助转矩设定器101将计算出的目标辅助转矩Tr＊输出至辅助电流指令器102。辅助电流指令器102通过将目标辅助转矩Tr＊除以转矩常数来计算d-q坐标系的q轴指令电流iq＊。另外，辅助电流指令器102将d轴指令电流id＊设定为零（id＊＝0）。此外，在进行弱磁场控制的情况下，将d轴指令电流id＊设定为与零不同的值，但是本发明不是在弱磁场控制才具有特征的，所以将d轴指令电流id＊设定为零来进行说明。

这样计算出的q轴指令电流iq＊与d轴指令电流id＊按照规定比例，例如1：1来分配，将其输出至第一反馈控制装置1031与第二反馈控制装置1032。例如，将q轴指令电流iq＊的1/2与d轴指令电流id＊的1/2输出至第一反馈控制装置1031，将剩余的q轴指令电流iq＊的1/2与d轴指令电流id＊的1/2输出至第二反馈控制装置1032。以下，将各自分配的q轴指令电流iq＊与d轴指令电流id＊重新作为q轴指令电流iq＊与d轴指令电流id＊来进行说明。

第一反馈控制装置1031计算从q轴指令电流iq＊减去q轴实际电流iq1而得的偏差Δiq1，通过利用该偏差Δiq1的比例积分控制以使q轴实际电流iq1追随着q轴指令电流iq＊的方式来计算q轴指令电压vq1＊。同样地，计算从d轴指令电流id＊减去d轴实际电流id1而得的偏差Δid1，通过利用该偏差Δid1的比例积分控制以使d轴实际电流id1追随着d轴指令电流id＊的方式来计算d轴指令电压vd1＊。

q轴实际电流iq1以及d轴实际电流id1是将在马达20的第一线圈221中实际流动的三相电流的检测值iu1、iv1、iw1变换为d-q坐标系的两相电流的实际电流。利用第一·三相/两相坐标变换器1041来进行从该三相电流iu1、iv1、iw1向d-q坐标系的两相电流id1、iq1的变换。第一·三相/两相坐标变换器1041输入从后述的电角选择器109输出的电角θe，并根据该电角θe，将由第一电流传感器71检测出的三相电流iu1、iv1、iw1变换为d-q坐标系的两相电流id1、iq1。

从三相坐标系变换为d-q坐标系的变换矩阵C用下面的式（1）来表示。

此外，电角选择器109在后面有述，但是在未检测出旋转角传感器18的异常时，将马达20的实际电角θea作为电角θe而输出，而在检测出旋转角传感器18的异常时，将马达20的推定电角θeb作为电角θe而输出。

利用第一反馈控制装置1031计算出的q轴指令电压vq1＊与d轴指令电压vd1＊被输出至第一·两相/三相坐标变换器1051。第一·两相/三相坐标变换器1051根据从电角选择器109输出的电角θe来将q轴指令电压vq1＊与d轴指令电压vd1＊变换为三相指令电压vu1＊、vv1＊、vw1＊，并将该变换得到的三相指令电压vu1＊、vv1＊、vw1＊输出至第一PWM信号发生器1061。第一PWM信号发生器1061将与三相指令电压vu1＊、vv1＊、vw1＊对应的PWM控制信号输出至第一驱动电路30的开关元件31～36。由此在马达20的第一线圈221中流动三相电流。

另一方面，第二反馈控制装置1032计算从q轴指令电流iq＊减去q轴实际电流iq2得到的偏差Δiq2，通过利用该偏差Δiq2的比例积分控制而以使q轴实际电流iq2追随着q轴指令电流iq＊的方式来计算q轴指令电压vq2＊。同样，计算从d轴指令电流id＊减去d轴实际电流id2得到的偏差Δid2，通过利用该偏差Δid2的比例积分控制而以使d轴实际电流id2追随着d轴指令电流id＊的方式来计算d轴指令电压vd2＊。

q轴实际电流iq2以及d轴实际电流id2是将在马达20的第二线圈222中实际流动的三相电流的检测值iu2、iv2、iw2变换为d-q坐标的两相电流得到的电流。利用第二·三相/两相坐标变换器1042来进行从该三相电流iu2、iv2、iw2向d-q坐标的两相电流id2、iq2的变换。第二·三相/两相坐标变换器1042输入从电角选择器109输出的电角θe，并根据该电角θe，将由第二电流传感器72检测出的三相电流iu2、iv2、iw2变换为d-q坐标系的两相电流id2、iq2。

将利用第二反馈控制装置1032计算出的q轴指令电压vq2＊与d轴指令电压vd2＊输出至第二·两相/三相坐标变换器1052。第二·两相/三相坐标变换器1052根据电角选择器109输出的电角θe将q轴指令电压vq2＊与d轴指令电压vd2＊变换为三相指令电压vu2＊、vv2＊、vw2＊，并将该变换得到的三相指令电压vu2＊、vv2＊、vw2＊输出至第二PWM信号发生器1062。第二PWM信号发生器1062将与三相指令电压vu2＊、vv2＊、vw2＊对应的PWM控制信号输出至第二驱动电路40的开关元件41～46。因此在马达20的第二线圈222中流动三相电流。

通过向两个线圈221、222的通电来驱动马达20，从而将追随着目标辅助转矩Tr＊的辅助转矩被施加给转向机构10。

将从旋转角传感器18输出的旋转角检测信号输出至电角检测器108与异常检测器107。电角检测器108根据由旋转角传感器18输出的旋转角检测信号来计算马达20的实际电角θea，并将计算出的实际电角θea输出至电角选择器109。实际电角θea由马达20的旋转角θm与极对数而唯一决定。

异常检测器107根据从旋转角传感器18输出的旋转角检测信号来检测旋转角传感器18的异常。在采用分解器作为旋转角传感器18的情况下，考虑分解器内的检测用线圈，即sin相检测线圈、cos相检测线圈以及励磁用线圈断线或者引起绝缘不良的情况。因此，异常检测器107监视检测用线圈的输出信号的振幅，在该振幅超出预先设定的允许范围的情况下，判定为传感器异常。另外，由于检测用线圈以输出信号错开π/2相位的方式而设置一对，所以也能够通过比较两个输出信号来检测异常。例如，在从第一相的检测用线圈输出正弦波信号时，从第二相的检测用线圈输出恒定值信号时等，在两个输出信号的组合发生矛盾的情况下，也能够判定为异常。异常检测器107像这样来判定旋转角传感器18的异常的有无，从而输出表示异常的有无的传感器异常判定信号Ffail。异常检测器107例如在判定为存在异常的情况下，将传感器异常判定信号Ffail设定为1，而在判定为无异常的情况下，将传感器异常判定信号Ffail设定为0。

在旋转角传感器18产生异常的情况下，由于不能够检测电角，所以不能通过电流矢量控制来驱动马达20。因此，为了在旋转角传感器18异常时也能够继续马达20的旋转控制，在ECU100上配备有推定电角的电角推定器110。

若输入传感器异常判定信号Ffail＝1则电角推定器110开始工作，如图7所示，若着眼于利用程序控制来实施的功能，则该电角推定器110具备第一电压矢量变换器111、第一电流矢量变换器112、第二电压矢量变换器113、第二电流矢量变换器114、α轴电压成分加法器115、β轴电压成分加法器116、α轴电流成分加法器117、β轴电流成分加法器118、感应电压运算器119、旋转方向推定器120以及推定电角运算器121。

第一电压矢量变换器111、第一电流矢量变换器112、第二电压矢量变换器113以及第二电流矢量变换器114是将在三相固定坐标系中表示的电压矢量或者电流矢量变换为与各自等价的在两相固定坐标系中表示的电压矢量或者电流矢量的功能器件。如图8所示，三相固定坐标系利用由相互错开120°的U相轴、V相轴、W相轴构成的平面坐标来表示马达电压或者马达电流。另一方面，两相固定坐标系利用由与U相轴一致的α轴和与α轴正交的β轴构成的平面坐标来表示马达电压或者马达电流。三相固定坐标系、两相固定坐标系任何一个都是在固定于马达定子的坐标中表示的。

与此相对，上述的两相旋转坐标系（d-q坐标系）是坐标轴伴随着马达转子的旋转而一起旋转的旋转坐标系。此外，本实施方式的马达20具备两个驱动系统的线圈221、222，如图4所示，由于第一线圈221与第二线圈222沿定子22的周向错开30°而设置2组，所以将两者的U相线圈U1、U2的中间位置设定为α轴。因此，在以下的计算式中，使用两相固定坐标系的α轴与第一线圈221的U相轴所成的角度即偏移角θ1、和α轴与第二线圈222的U相轴所成的角度即偏移角θ2。

第一电压矢量变换器111通过下面的式（2）将三相的线圈电压vu1、vv1、vw1变换为在两相固定坐标系中表示的两相线圈电压vα1、vβ1。

第一电压矢量变换器111将计算出的两相线圈电压vα1输出至α轴电压成分加法器115，并将两相线圈电压vβ1输出至β轴电压成分加法器116。

另外，第一电流矢量变换器112通过下面的式（3）将三相的线圈电流iu1、iv1、iw1变换为在两相固定坐标系中表示的两相线圈电流iα1、iβ1。

第一电流矢量变换器112将计算出的两相线圈电流iα1输出至α轴电流成分加法器117，并将两相线圈电流iβ1输出至β轴电流成分加法器118。

另外，第二电压矢量变换器113通过下面的式（4）将三相线圈电压vu2、vv2、vw2变换为在两相固定坐标系中表示的两相线圈电压vα2、vβ2。

第二电压矢量变换器113将计算出的两相线圈电压vα2输出至α轴电压成分加法器115，并将两相线圈电压vβ2输出至β轴电压成分加法器116。

另外，第二电流矢量变换器114通过下面的式（5）将三相线圈电流iu2、i2、iw2变换为在两相固定坐标系中表示的两相线圈电流iα2、iβ2。

第二电流矢量变换器114将计算出的两相线圈电流iα2输出至α轴电流成分加法器117，并将两相线圈电流iβ2输出至β轴电流成分加法器118。

α轴电压成分加法器115将两相线圈电压vα1与两相线圈电压vα2相加，并将其计算结果输出至感应电压运算器119。β轴电压成分加法器116将两相线圈电压vβ1与两相线圈电压vβ2相加，并将其计算结果输出至感应电压运算器119。α轴电流成分加法器117将两相线圈电流iα1与两相线圈电流iα2相加，并将其计算结果输出至感应电压运算器119。β轴电流成分加法器118将两相线圈电流iβ1与两相线圈电流iβ2相加，并将其计算结果输出至感应电压运算器119。

利用该α轴电压成分加法器115以及β轴电压成分加法器116将在两相固定坐标系中表示的第一线圈221的电压矢量（vα1，vβ1）与第二线圈222的电压矢量（vα2，vβ2）相加。另外，利用α轴电流成分加法器117以及β轴电流成分加法器118将在两相固定坐标系中表示的第一线圈221的电流矢量（iα1、iβ1）与第二线圈222的电流矢量（iα2，iβ2）相加。

感应电压运算器119通过下面的式（6）来计算由马达20产生的感应电压矢量E（eα，eβ）。

在此，R是各线圈221、222的绕线电阻的合成值，L是各线圈221、222的电感的合成值。d/dt表示微分运算。

感应电压运算器119将计算出的感应电压矢量E（eα，eβ）输出至旋转方向推定器120以及推定电角运算器121。

推定电角运算器121通过下面的式（7）来计算感应电压矢量E的大小｜E｜，并利用该计算出的感应电压矢量E的大小｜E｜通过下面的式（8）来计算马达的推定电角θeb。

电角推定器110的各功能部以规定的短周期进行重复运算处理。在此，推定电角运算器121将当前时刻计算出的推定电角θeb表示为θebn，将1个运算周期前计算出的推定电角表示为θebn-1，将再一个运算周期前计算出的推定电角表示为θebn-2，按照这种方式，将m个运算周期前计算出的推定电角θeb表示为θebn-m。d表示马达20的推定旋转方向，Ke表示马达感应电压常数，Ts表示推定电角运算器121的运算周期。推定旋转方向d是由后述的旋转方向推定器120推定的马达20的旋转方向，在本实施方式中，由于将左旋转作为正转方向，所以在马达20被推定为左旋转的情况下，将推定旋转方向d设定为1，而在马达20被推定为右旋转的情况下，将推定旋转方向d设定为-1。

由马达20产生的感应电压的大小与马达角速度具有比例关系。马达角速度能够通过将感应电压的大小｜E｜除以马达感应电压常数Ke〔V/（rad/s）〕来求得。式（8）的右边第二项表示1个运算周期Ts的时间内马达20旋转的电角。因此，式（8）是通过将从上一次运算时到此次运算时的期间（1个运算周期）内马达20的旋转的电角沿马达20的推定旋转方向加到上一次计算出的推定电角θebn-1来计算当前时刻的推定电角θebn。图9是利用该计算表示推定电角θeb推移的图像。

推定电角θebn-1的初始值设为利用异常检测器107检测出旋转角传感器18的异常之前的值。电角推定器110从未检测出旋转角传感器18的异常时输入电角检测器108输出的实际电角θea来更新存储，若检测到异常检测器107输出的传感器异常判定信号Ffail切换为表示旋转角传感器18异常的1，则将异常检测之前的实际电角θea设定为推定电角θebn-1，从而开始根据上述式（8）的上述的推定电角θebn的运算。另外，之后，由于将计算出的推定电角θebn作为在下一个运算周期的式（8）的推定电角θebn-1而使用，所以将推定电角θebn设定为推定电角θebn-1来依次更新存储。推定电角运算器121将推定电角θebn设定为推定电角θeb并输出至电角选择器109。

旋转方向推定器120是推定马达20的旋转方向的功能部，其根据感应电压矢量E的时间序列来推定旋转的方向（矢量的朝向移动的方向）。如图10所示，在本实施方式中，沿旋转方向将α-β坐标平面等角度地分割为N个（N＞3）区域。在图10的例子中N＝8，即、将α-β坐标平面分割为8个区域，并对区域1至区域8进行设定。

旋转方向推定器120按照每个运算周期来求从感应电压运算器119输入的感应电压矢量E的坐标（eα，eβ）存在于哪个区域，然后存储确定该区域的信息（例如，区域编号）。而且，根据1个运算周期前的区域与此次所求的区域，在感应电压矢量E的坐标（eα，eβ）移动了区域的情况下，根据该区域的移动量（移动区域数Ka）来判定感应电压矢量E的旋转方向。在感应电压矢量E的坐标（eα，eβ）移动至相邻的区域的情况下，移动区域数Ka变为1。例如，在图10的例子中，上一次（第n-1次）存储的区域是区域2，此次（第n次）检测出的区域是区域4，所以移动区域数Ka是2。此外，旋转方向推定器120的运算周期被设定为：即便马达20以最大旋转速度旋转的情况下，也能够使移动区域数Ka小于N/2。

旋转方向推定器120将像这样根据求得的感应电压矢量E的时间序列而旋转的方向视为（推定）与马达20的旋转方向相同，并将表示该旋转方向亦即推定旋转方向d的信息输出至推定电角运算器121。

图11表示旋转方向推定器120执行的旋转方向推定程序。该旋转方向推定程序以规定的运算周期重复执行。若本程序起动，则旋转方向推定器120在步骤S11中读入从感应电压运算器119输出的感应电压矢量E（eα，eβ）。接着，在步骤S12中，判断感应电压矢量E的大小｜E｜是否是预先设定的基准值Eref以上。该感应电压矢量E的大小｜E｜能够通过上述式（7）计算，但在此，由于目的是与基准值Eref比较，所以若预先将基准值Eref平方，则比较eα的平方值与eβ的平方值之和即可，因而能够省略平方根的计算。另外，感应电压矢量E的大小｜E｜也可以读入利用推定电角运算器121计算出的值。

在马达20的旋转速度慢的情况下，传感器值包含的噪声、线圈电阻值误差的影响变大，从而使计算的感应电压矢量E的检测精度变差。因此，在感应电压矢量E的大小｜E｜小于预先设定的基准值Eref的情况下，旋转方向推定器120不能正确地推定旋转方向。在这种情况下，旋转方向推定器120在步骤S13中将马达20的推定旋转方向d设定为与上一次（1个运算周期前）设定的方向dn-1相同的方向。

另一方面，在感应电压E矢量的大小｜E｜是基准值Eref以上的情况下（S12：是），旋转方向推定器120在步骤S14中根据矢量坐标（eα，eβ）来求感应电压矢量E进入的区域，从而存储表示该区域的信息（区域编号）。接着，在步骤S15中读出上一次存储（在1个运算周期前的步骤S14中所存储的）的区域编号。然后，在步骤S16中，根据此次求得的区域编号与上一次的区域编号来计算1个运算周期的期间移动的区域数即移动区域数Ka。此外，在1个运算周期前的处理中，在步骤S12中判定为否的情况下，由于不存储区域编号，所以此时将移动区域数Ka设定为零（Ka＝0）。

接着，旋转方向推定器120在步骤S17中判定移动区域数Ka是否为零。在移动区域数Ka为零的情况下（S17：是），该处理进入步骤S13，并将马达的推定旋转方向d设定为与上一次（1个运算周期前）设定的方向dn-1相同的方向。另一方面，在移动区域数Ka不为零的情况下（S17：否），在步骤S18中判断感应电压矢量E进入的区域的移动方向是否为左旋转方向。由于移动区域数Ka为1≤Ka＜（N/2）的值，所以能够根据上一次以及此次的区域编号的推移来判断感应电压矢量E的移动方向。在感应电压矢量E进入的区域的移动方向为左旋转方向的情况下（S18：是），在步骤S19中将马达20的推定旋转方向d设定为1，在感应电压矢量E进入的区域的移动方向为右旋转方向的情况下（S18：否），在步骤S20中将马达20的推定旋转方向d设定为-1。

若旋转方向推定器120在步骤S13、S19、S20中设定推定旋转方向d，则在步骤S21中，将表示推定旋转方向d的信息输出至推定电角运算器121，然后暂时结束本程序。而且，以规定的运算周期重复上述的处理。

推定电角运算器121将像上述那样计算出的推定电角θeb输出至电角选择器109。对电角选择器109而言，在异常检测器107输出的传感器异常判定信号Ffail为0的情况下，将从电角检测器108输出的实际电角θea设定为电角θe。另一方面，在异常检测器107输出的传感器异常判定信号Ffail为1的情况下，将从电角推定器110输出的推定电角θeb设定为电角θe。像这样设定的电角θe被输出至两相/三相坐标变换器1051、1052以及三相/两相坐标变换器1041，1042，在坐标变换计算中使用。

根据以上说明的本实施方式的电动动力转向装置，由于是利用两个驱动系统来驱动控制马达20，所以即便第一驱动系统产生故障也能够利用第二驱动系统来驱动马达20。另外，即便是在检测马达20的驱动控制所需要的马达旋转角的旋转角传感器18发生故障的情况下，也能够通过运算来求推定电角θeb，从而使用该推定电角θeb来继续马达20的驱动。因此，能够提高故障安全能力。

在进行推定电角θeb的运算时，需要计算由马达20产生的感应电压，但线圈电抗L的电压量的计算含有微分运算，该微分运算对ECU100的微电脑而言成为大的运算负担。特别是在马达20具备不同驱动系统的多个线圈的情况下，若分别计算各驱动系统的感应电压，则运算负担会增加驱动系统的数量的倍数。因此，会提高微电脑的性能要求，从而导致成本增加。

因此，在本实施方式中，将在第一线圈221的两相固定坐标系中表示的电压矢量（vα1，vβ1）与在第二线圈222的两相固定坐标系中表示的电压矢量（vα2，vβ2）相加得到加法电压矢量（vα1＋vα2，vβ1＋vβ2）、将在第一线圈221的两相固定坐标系中表示的电流矢量（iα1，iβ1）与在第二线圈222的两相固定坐标系中表示的电流矢量（iα2，iβ2）相加得到加法电流矢量（iα1＋iα2，iβ1＋iβ2），将上述加法电压矢量（vα1＋vα2，vβ1＋vβ2）以及上述加法电流矢量（iα1＋iα2，iβ1＋iβ2）进行运算，从而根据该加法电压矢量（vα1＋vα2，vβ1＋vβ2）与加法电流矢量（iα1＋iα2，iβ1＋iβ2）来计算感应电压矢量E。因此，线圈电抗L的电压量的计算如上述式（6）所示，对加法电流矢量（iα1＋iα2，iβ1＋iβ2）进行微分运算即可。因此，即便设置多个驱动系统，但对线圈电抗L的电压量的计算所需的微分运算而言，只需要一个驱动系统的运算量即可。其结果是，不需要提高微电脑的性能，从而能够低成本地实施。

以上对本实施方式的电动动力转向装置进行了说明，但本发明并不限定于上述实施方式，只要不脱离本发明的目的，能够进行各种变更。

例如，在本实施方式中，马达20采用将两个系统的线圈221、222沿定子22的周向错开地配置的结构，但也可以例如图12所示，以将第一线圈221与第二线圈222卷绕至共用的齿24的方式构成。在该例子中，将线圈U11与线圈U21、线圈V11与线圈V21、线圈W11与线圈W21、线圈U12与线圈U22、线圈V12与线圈V22、线圈W12与线圈W22分别卷绕至共用的齿24。在这种情况下，在感应电压的计算过程中的上述式（2）～（5）中，将偏移角θ1、θ2作为零来计算即可。

另外，在本实施方式中构成为利用两个驱动系统来驱动马达20，但是驱动系统的数量并不局限于两个，也可以是3个以上。在这种情况下，在将驱动系统的数量的电压矢量以及电流矢量相加之后，能够通过计算马达20的感应电压来抑制微电脑的运算负担的增加。

另外，在本实施方式中构成为，在计算推定电角θeb时，根据感应电压的大小来求马达20的推定角速度，利用该推定角速度将马达20每一个运算周期的旋转量作为电角变化量进行计算，沿马达旋转方向在一个运算周期前的推定电角加上电角变化量，以此来计算推定电角，但也可以取而代之，直接根据在α-β坐标系中感应电压矢量E相对于α轴形成的角度来计算推定电角θeb。在这种情况下，在α-β坐标系中感应电压矢量E相对于α轴形成的角度可以通过计算eβ/eα的反正切tan^-1（eβ/eα）来计算。感应电压矢量E的方向即感应电压的产生方向是q轴方向，马达20的电角θe是贯穿马达20的U相线圈的α轴与d轴所形成的角。因此，推定电角θeb利用比感应电压矢量E的角度迟滞90°来计算即可。

另外，在本实施方式中，在计算感应电压的绝对值时，是计算α-β坐标系的感应电压成分（eα，eβ）的平方和的平方根，但也可以将感应电压变换为其他的坐标系（例如，以在当前时刻推定的推定电角为基准的d-q坐标系即所谓的γ-δ坐标系）之后，再进行绝对值计算。

另外，在本实施方式中，在计算推定电角θeb时，将马达20的旋转方向视为感应电压矢量E的旋转的方向，但是也可以取而代之，例如，将马达20的旋转方向视为利用转矩传感器17检测的转向操作转矩Tr的转动方向。或者也可以构成为例如，设置检测车体的横摆率的横摆率传感器或检测横加速度的横加速度传感器，并根据从这样的传感器输出的横摆率或横加速度的方向（右方向、左方向）来推定马达20的旋转方向。

另外，在本实施方式中，构成为：具备旋转角传感器18，在未检测出旋转角传感器18的异常的情况下，根据由旋转角传感器18检测的马达20的实际电角来控制驱动电路，但也可以取而代之，构成为：不具备旋转角传感器18，总是计算推定电角，并根据推定电角来控制驱动电路。

另外，在本实施方式中，对将马达20所产生的转矩施加至齿条14的齿条辅助式的电动动力转向装置进行了说明，但也可以是将马达产生的转矩施加至转向轴12的转向柱辅助式的电动动力转向装置。

Claims (1)

1.一种电动动力转向装置，其特征在于，包括：

永磁式同步马达，其是被设置于转向机构并产生转向操作辅助转矩的马达，该永磁式同步马达的马达定子具备驱动系统不同的多组三相线圈；

马达驱动单元，其具有与所述多组三相线圈分别对应而设置的驱动电路，该马达驱动单元从各驱动电路独立地进行向三相线圈的通电从而驱动所述永磁式同步马达；

电角推定器，其运算所述永磁式同步马达的推定电角；以及

马达控制装置，其基于由所述电角推定器运算出的推定电角来控制所述马达驱动单元的各驱动电路从而驱动所述永磁式同步马达，

其中，所述电角推定器具备：

三相/两相电压矢量变换器，其按每组所述三相线圈，将向三相线圈供给的电压的、在三相固定坐标系中表示的电压矢量变换为在两相固定坐标系中表示的电压矢量，

三相/两相电流矢量变换器，其按每组所述三相线圈，将流向三相线圈的电流的、在三相固定坐标系中表示的电流矢量变换为在两相固定坐标系中表示的电流矢量；

电压矢量加法器，其对各三相线圈的在两相固定坐标系中表示的电压矢量进行相加；

电流矢量加法器，其对各三相线圈的在两相固定坐标系中表示的电流矢量进行相加；以及

感应电压运算器，其根据由所述电压矢量加法器计算出的加法电压矢量和由所述电流矢量加法器计算出的加法电流矢量，运算在所述永磁式同步马达中产生的感应电压，

所述电角推定器基于所述运算出的感应电压来推定所述永磁式同步马达的电角。