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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Motoransteuerungsvorrichtung
und ein Motoransteuerungsverfahren für ein elektrisches
Kraftlenksystem eines Fahrzeugs.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Bei
vielen herkömmlichen elektrischen Kraftlenksystemen (engl.:
electric power steering system; EPS) ist ein bürstenloser
Gleichstrommotor als ein EPS-Motor verwendet. Der bürstenlose
Gleichstrommotor erzeugt keine Bürstengleitgeräusche.
Es ist selbstverständlich möglich, Wechselstrommotoren als
EPS-Motoren zu verwenden. Es ist jedoch allgemein anerkannt, dass
der bürstenlose Gleichstrommotor für die elektrischen
Kraftlenksysteme am geeignetsten ist, da derselbe nicht nur von
einer kompakten Größe ist, sondern ein großes
Drehmoment, einen kleinen Verlust und ein kleines Rastmoment aufweist.
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Der
bürstenlose Gleichstrommotor ist ein Magnetrotor-Synchronmotor,
der durch einen Wechselrichter angesteuert wird. Der Wechselrichter
wird herkömmlicherweise durch ein 120°-Erregungsverfahren,
ein 180°-Erregungsverfahren oder ein Sinuswellen-Erregungsverfahren
angesteuert. Der bürstenlose Gleichstrommotor ist hier
nicht auf einen Typ eines Rechteckwellen-Erregungsverfahrens begrenzt.
Der EPS-Motor wird im Allgemeinen durch ein Sinuswellen-Modulationsverfahren
angesteuert, um Vibrationen, die ein Fahrer wahrnehmen wird, zu
reduzieren, da das Sinuswellen-Modulationsverfahren Drehmomentwelligkeiten,
Geräusche und Vibrationen reduziert.
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Wie
andere Modulationsverfahren sind ein Zweiphasen-Modulationsverfahren
und ein Trapezwellen-Modulationsverfahren bekannt. Bei dem Zweiphasen-Modulationsverfahren
wird die Zwischenphasenspannungs-Wellenform durch Festlegen eines
Phasenpotentials und Modulieren der verbleibenden zwei Phasenpotentiale
in einer Sinuswelle in einer Sinuswellenform aufrechterhalten. Bei dem
Trapezwellen-Modulationsverfahren werden harmonische Wellen ungeradzahliger
Ordnungen zu einer Sinuswellen-Phasenspannung hinzugefügt. Dieses
Zweiphasen-Modulationsverfahren und das Trapezwellen-Modulationsverfahren
sind vorteilhaft für ein Produzieren eines größeren
Drehmoments als das Sinuswellen-Modulationsverfahren.
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Bei
einem Zweiphasen-Modulationsverfahren, das ein herkömmliches
n/3-Festlegungsverfahren ist, wird jede Phasenspannung durch aufeinanderfolgendes
Einschalten von Schaltelementen eines Wechselrichters während
einer vorbestimmten Dauer bei gleichzeitigem Aufrechterhalten einer
Zwischenphasenspannung für einen elektrischen Winkel von
60° (n/3) abwechselnd auf einen hohen Potentialpegel und
einen niedrigen Potentialpegel festgelegt. Dieses Verfahren reduziert
den Schaltverlust des Wechselrichters.
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Die
US 4,847,743 (
JP 2,577,738 ) schlägt ein anderes
Zweiphasen-Modulationsverfahren, das heißt ein 2n/3-Festlegungsverfahren,
vor, bei dem jede Phasenspannung für einen elektrischen
Winkel von 120° (2n/3) auf einen hohen Potentialpegel und einen
niedrigen Potentialpegel festgelegt wird. Dieses Verfahren reduziert
ebenfalls den Schaltverlust des Wechselrichters. Dieselbe schlägt
ferner vor, durch Stoppen des Zweiphasen-Modulationsverfahrens,
wenn die Amplitude der Phasenspannung klein ist, an den Motor drei
Phasenspannungen anzulegen.
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Die
US 7,053,587 (
JP 2005-229676A ) schlägt
vor, dass ein Zweiphasen-Modulationsverfahren implementiert wird,
wenn ein Phasenstrom groß ist, und ein Dreiphasen-Modulationsverfahren bewirkt
wird, wenn der Phasenstrom klein ist. Dieses Verfahren reduziert
ebenfalls den Schaltverlust.
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Es
ist erwünscht, dass der bürstenlose Gleichstrommotor,
der als der EPS-Motor verwendet ist, eine Vibration und ein Geräusch
erzeugt, die so wenig wie möglich durch eine Lenkwelle
zu einem Fahrer übertragen werden. In dieser Hinsicht erzeugt das
Zweiphasen-Modulationsverfahren, obwohl dasselbe ein großes
Drehmoment produziert, aufgrund einer Verzerrung einer Wellenform
eine große Vibration und ein großes Geräusch
und ist folglich nicht für eine Verwendung als der EPS-Motor
geeignet. Obwohl das Dreiphasen-Sinuswellen-Modulationsverfahren
am geeignetsten ist, um eine Vibration und ein Geräusch
zu reduzieren, wird der Motor groß, um ein großes
Drehmoment sicherzustellen, und hat folglich aufgrund einer erhöhten
trägen Masse des Rotors schlechte Ansprechcharakteristiken.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Motoransteuerungsvorrichtung
und ein Motoransteuerungsverfahren für ein elektrisches Kraftlenksystem
zu schaffen, wobei die Motoransteuerungsvorrichtung von einer kompakten
Größe ist und wodurch ein Ansprechen verbessert
wird, während eine Vibration und ein Geräusch
unterdrückt werden.
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Gemäß einem
Aspekt weist eine Motoransteuerungsvorrichtung für ein
elektrisches Kraftlenksystem einen Dreiphasen-Wechselrichter zum
Anlegen von drei Phasenspannungen an einen Wechselstrommotor und
eine Steuerung zum Steuern des Dreiphasen-Wechselrichters auf. Die
Steuerung ist konfiguriert, um den Wechselstrommotor jeweils durch
Implementieren eines Zweiphasen-Modulationsverfahrens und eines
Dreiphasen-Modulationsverfahrens, wenn eine Lenkoperation schnell
und normal ist, zu betreiben.
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Die
Lenkoperation kann als schnell und normal bestimmt werden, wenn
mindestens entweder das Unterstützungsdrehmoment, eine
Lenkwinkelbeschleunigung oder ein Funktionswert einer vorbestimmten
Funktion größer oder kleiner als ein vorbestimmter
Schwellenwert ist. Die vorbestimmte Funktion ist so definiert, dass
dieselbe eine direkte Korrelation mit der schnellen Lenkoperation
hat und ein Unterstützungsdrehmoment und eine Lenkwinkelbeschleunigung
als Variable verwendet.
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Der
Wechselstrommotor kann ein Synchronmotor mit einem Magnetrotor sein.
Die Steuerung kann konfiguriert sein, um den Wechselstrommotor durch
Implementieren des Dreiphasen-Modulationsverfahrens anzusteuern,
wenn ein Phasenstrom, der in dem Wechselrichter fließt,
kleiner als ein vorbestimmter Schwellenstrom ist. Die Steuerung
kann ferner konfiguriert sein, um einen q-Achsen-Strom oder einen
Funktionswert, der eine direkte Korrelation mit dem q-Achsen-Strom
hat, zu berechnen und den Wechselstrommotor durch Implementieren
des Dreiphasen-Modulationsverfahrens anzusteuern, wenn der q-Achsen-Strom
oder der Funktionswert kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert
ist. Es sei bemerkt, dass, wie wohl bekannt ist, der q-Achsen-Strombefehlswert
und der q-Achsen-Spannungsbefehlswert eine direkte Korrelation mit
dem Unterstützungsdrehmoment haben. Zusätzlich
kann die schnelle Lenkoperation basierend auf einer Stromvektoramplitude
(einer Stromvektorlänge), die durch Verwenden eines Phasenstroms
und eines Drehwinkels berechnet wird, erfasst werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorhergehenden und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung,
die unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen geliefert
wird, offensichtlicher. Es zeigen:
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1 ein
schematisches Diagramm, das eine Motoransteuerungsvorrichtung für
ein elektrisches Kraftlenksystem gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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2 ein
Flussdiagramm, das Prozesse zum Umschalten eines Betriebsmodus einer
Steuerung bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel
zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DES AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
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Unter
Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel, das in 1 gezeigt
ist, wird eine Motoransteuerungsvorrichtung für ein elektrisches
Kraftlenksystem eines Fahrzeugs detaillierter beschrieben.
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Das
elektrische Kraftlenksystem weist eine Gleichstromleistungsquelle
(eine Batterie) 1, einen Glättungskondensator 2,
einen Dreiphasen-Wechselrichter 3, einen EPS-Motor 4,
der einen bürstenlosen Gleichstrommotor verwendet, eine
elektronische Steuerung 5, Stromsensoren 6 bis 8,
einen Lenkwinkelsensor 9 zum Erfassen eines Winkels einer
Lenkwelle (nicht gezeigt), der einen Winkel einer Lenkradoperation
eines Fahrers anzeigt, und einen Drehungswinkelsensor 10,
der in dem EPS-Motor 4 angebracht ist, auf. Die drei Stromsensoren
können auf zwei reduziert sein, so dass einer von drei
Phasenströmen aus zwei erfassten Phasenströmen
berechnet werden kann.
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Die
Gleichstromleistungsquelle 1 ist vorgesehen, um dem Dreiphasen-Wechselrichter 3 durch ein
Paar von Gleichstromleistungskabeln eine Gleichspannung zuzuführen.
Der Kondensator 2 ist mit der Gleichstromleistungsquelle 1 parallel
geschaltet, um die Spannung und den Strom, die dem Wechselrichter 3 von
der Leistungsquelle 1 zugeführt werden, zu glätten,
etc. Der Dreiphasen-Wechselrichter 3 hat Halbbrücken
einer U-Phase, einer V-Phase und einer W-Phase, die parallel geschaltet sind.
Die U-Phasen-Halbbrücke weist ein Element eines oberen
Arms (ein Element einer Hochpotentialseite) 31 und ein
Element eines unteren Arms (ein Element einer Niederpotentialseite) 34 auf,
die in Reihe geschaltet sind. Die V-Phasen-Halbbrücke weist ein
Element eines oberen Arms 32 und ein Element eines unteren
Arms 35 auf, die in Reihe geschaltet sind. Die W-Phasen-Halbbrücke
weist ein Element eines oberen Arms 33 und ein Element
eines unteren Arms 36 auf, die in Reihe geschaltet sind.
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Jedes
der Elemente 31 bis 33 eines oberen Arms und der
Elemente 34 bis 36 eines unteren Arms ist durch
einen nMOS-Transistor mit einer Schwungraddiode (engl.: flywheel
diode) gebildet. Die Schwungraddiode ist eine Schottkydiode und
ist mit dem nMOS-Transistor parallel und in Rückwärtsrichtung
vorgespannt geschaltet. Die Elemente 31 bis 33 eines
oberen Arms befinden sich in der Source-Folger-Konfiguration, und
die Elemente 34 bis 36 eines unteren Arms befinden
sich in der Source-Masse-Konfiguration.
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Drei
Phasenspannungen Vu, Vv, Vw, die durch die Halbbrücken
produziert werden, werden jeweils an entsprechende Phasenwicklungen 4U, 4V, 4W des
EPS-Motors 4 angelegt. Die Phasenwicklungen 4U, 4V, 4W sind
sternverbunden. Der EPS-Motor 4 kann ein Synchronmotor
eines Oberflächenpermanentmagnet-(engl.: surface permanent
magnet; SPM)Rotor-Typs oder eines Innenpermanentmagnet-(IPM-)Rotor-Typs
sein, der fähig ist, ein Reluktanzdrehmoment zu verwenden.
Der Wechselrichter 3 und der EPS-Motor 4 sind
hinsichtlich sowohl einer Konfiguration als auch eines Betriebs
in der Technik bekannt.
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Die
Stromsensoren 6 bis 8 sind niederohmige Widerstände,
die jeweils zwischen die Source-Elektroden der Elemente 34 bis 36 eines
unteren Arms und die Masse geschaltet sind. Die Stromsensoren 6 bis 8 legen
Spannungen, die jeweils Phasenströmen, die in denselben
fließen, entsprechen, an die Steuerung 5 an.
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Die
Steuerung 5 ist konfiguriert und programmiert, um ein erforderliches
Lenkunterstützungsdrehmoment basierend auf dem durch den
Lenkwinkelsensor 9 erfassten Lenkwinkel zu berechnen, einen Strombefehlswert
(einen q-Achsen-Strombefehlswert), der einem Befehlswert des berechneten
Unterstützungsdrehmoments entspricht, zu berechnen, und
steuert drei Phasenströme des Dreiphasen-Wechselrichters 3 per
Rückkopplung, um drei Phasenströme, die dem Strombefehlswert
entsprechen, zu produzieren.
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Genauer
gesagt, die Stromrückkopplungssteuerung wird durch Umwandeln
der drei Phasenstrombefehlswerte und der drei Phasenstromerfassungswerte
in entsprechende Werte von Drehkoordinaten basierend auf dem Drehungswinkel θ des EPS-Motors 4,
der durch den Drehungswinkelsensor 10 erfasst wird, durchgeführt,
und eine Betriebsweise einer Pulsbreitenmodulation (engl.: pulse
width modulation; PWM) jedes Armelements 31 bis 36 des Dreiphasen-Wechselrichters 3 wird
berechnet und als Signale V1 bis V6 zu dem entsprechenden Armelement
ausgegeben. Diese Steuerung ist als eine Vektorsteuerung in der
Technik wohl bekannt, und um einer Kürze willen wird keine
weitere Beschreibung geliefert.
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Die
Steuerung 5 führt einen Dreiphasen-Sinuswellen-Modulationsmodus
(einen Dreiphasen-Modulationsmodus) und einen Zweiphasen-Modulationsmodus
durch. Bei dem Dreiphasen-Modulationsmodus werden die Armelemente 31 bis 36 des Dreiphasen-Wechselrichters 3 bei
einer vorbestimmten PWM-Trägerfrequenz (z. B. 15 kHz) PWM-gesteuert.
Somit werden die drei Phasenspannungen, die von dem Dreiphasen-Wechselrichter 3 an
den EPS-Motor 4 angelegt werden, in die Sinuswellenform
moduliert. Bei dem Zweiphasen-Modulationsmodus wird eine der drei
Phasen aufeinanderfolgend auf eine 100%-PWM-Betriebsweise oder eine
vorbestimmte PWM-Betriebsweise (0% + α) festgelegt, und
die anderen zwei Phasen werden mit den gleichen PWM-Betriebsweisen
angelegt. Somit werden die Zwischenphasenspannungen in der Sinuswellenform
aufrechterhalten.
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Die
Steuerung 5 befiehlt dem Dreiphasen-Wechselrichter 3,
den EPS-Motor 4 so zu betreiben, dass derselbe in dem ausgewählten
entweder Dreiphasen-Modulationsmodus oder Zweiphasen-Modulationsmodus
in Betrieb ist. Wenn der Dreiphasen-Wechselrichter 3 somit
gesteuert wird, um den EPS-Motor 4 in entweder dem Dreiphasen-Modulationsmodus
oder dem Zweiphasen-Modulationsmodus anzusteuern, werden drei Phasenspannungen,
die durch die Dreiphasen-Modulation oder die Zweiphasen-Modulation
produziert werden, an die Phasenwicklungen 4U, 4V und 4W des
EPS-Motors 4 angelegt. Eine Erzeugung von drei Phasenspannungen
durch den Dreiphasen-Modulationsmodus oder den Zweiphasen-Modulationsmodus
ist in der Technik wohl bekannt, und folglich wird um einer Kürze
willen keine weitere Erklärung geliefert.
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Die
Steuerung 5 ist programmiert, um den Modulationsmodus zwischen
dem Dreiphasen-Modulationsmodus und dem Zweiphasen-Modulationsmodus
umzuschalten, wie in 2 gezeigt ist.
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Zuerst
werden Phasenströme, die durch die Stromsensoren 6 bis 8 erfasst
werden, übernommen (S100), und der Strom I, der einer Stromvektoramplitude
entspricht, wird aus den übernommenen Phasenströmen
berechnet. Es wird geprüft, ob dieser Strom I größer
als ein vorbestimmter Schwellenstrom Ith ist (S102). Dieser Schwellenstrom
Ith ist eingestellt, um einem erforderlichen minimalen Pegel zu entsprechen,
unter dem eine Genauigkeit des erfassten Phasenstroms zu niedrig
wird. Dieser Schwellenstrom Ith kann empirisch bestimmt werden.
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Wenn
das Prüfresultat bei S102 NEIN ist, wird der Dreiphasen-Modulationsmodus
als ein Modus zum Ansteuern des Dreiphasen-Wechselrichters 3 ausgewählt
(S106).
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Wenn
das Prüfresultat bei S102 JA ist, wird weiter geprüft,
ob ein Drehmomentbefehlswert Tc oder eine Lenkwinkelbeschleunigung
(eine Änderungsrate) SA größer als ein
vorbestimmter Wert Tcth oder SAth ist (S104). Dies dient zum Prüfen,
ob sich die Lenkradoperation in einer schnellen Lenkoperation befindet,
da das Unterstützungsdrehmoment und die Lenkwinkelbeschleunigung
mit einer Lenkoperationsbedingung variieren. Diese Werte Tc oder
SA können basierend auf verschiedenen Parametern, die durch
verschiedene Sensoren erfasst werden, berechnet werden und an die
Steuerung 5 angelegt werden.
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Der
Drehmomentbefehlswert Tc kann beispielsweise durch Eingeben des
Drehmoments, das durch einen Drehmomentsensor (nicht gezeigt), der an
der Lenkwelle vorgesehen ist, erfasst wird, in eine vorbestimmte
Funktion (eine Gleichung), die in der Steuerung 5 vorgespeichert
ist, berechnet werden. Die Lenkwinkelbeschleunigung SA kann durch
Differenzieren des Lenkwinkels, der durch den Lenkwinkelsensor 9 erfasst
wird, berechnet werden.
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Wenn
das Prüfresultat bei S104 NEIN ist, wird der Dreiphasen-Modulationsmodus
zum Ansteuern des Dreiphasen-Wechselrichters 3 durch Implementieren
des Dreiphasen-Modulationsverfahrens ausgewählt (S106).
Wenn das Prüfresultat bei S104 JA ist, wird der Zweiphasen-Modulationsmodus als
ein Modus zum Ansteuern des Dreiphasen-Wechselrichters 3 durch
Implementieren des Zweiphasen-Modulationsverfah rens ausgewählt
(S108). Der Dreiphasen-Wechselrichter 3 wird durch die
Steuerung 5 in dem ausgewählten Modulationsmodus
gesteuert.
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Gemäß dem
vorhergehenden Betrieb wird der EPS-Motor 4 bei der schnellen
Lenkbedingung, bei der ein großes Lenkdrehmoment und gute Lenkansprechcharakteristiken
erforderlich sind, in dem Zweiphasen-Modulationsmodus angesteuert. Bei
der normalen Lenkbedingung, bei der kein oder lediglich ein langsames
Lenken erforderlich ist und folglich ein geringes Geräusch
und eine geringe Vibration erforderlich sind, wird der EPS-Motor 4 in
dem Dreiphasen-Modulationsmodus angesteuert.
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Ferner
können infolge einer Erhöhung des Unterstützungsdrehmoments,
die durch Implementieren des Zweiphasen-Modulationsverfahrens geliefert
wird, die Motorgröße und das Rotorträgheitsmoment
reduziert werden.
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Das
vorhergehende Ausführungsbeispiel kann auf verschiedene
Weisen modifiziert sein.
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Beispielsweise
kann bei den Prüfprozessen von S102 und S104 geprüft
werden, ob der q-Achsen-Strom oder ein Funktionswert, der eine direkte Korrelation
mit dem q-Achsen-Strom hat, größer als ein vorbestimmter
Schwellenwert ist. Wenn das Prüfresultat JA bzw. NEIN ist,
wird der Zweiphasen-Modulationsmodus bzw. der Dreiphasen-Modulationsmodus
ausgewählt.
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Hier
kann der q-Achsen-Strom oder der Funktionswert, der die direkte
Korrelation mit dem q-Achsen-Strom hat, ein q-Achsen-Stromberechnungswert,
der aus dem erfassten Phasenstrom berechnet wird, ein q-Achsen-Drehmomentbefehlswert, der
allgemein proportional zu dem berechneten Unterstützungsdrehmoment
ist, ein q-Achsen-Spannungsbefehlswert, der eine direkte Korrelation
mit dem q-Achsen-Drehmomentbefehlswert hat, oder eine Stromvektorlänge
sein. Die Stromvektorlänge wird als eine Summe eines Quadratwerts
des q-Achsen-Stroms und eines Quadratwerts eines d-Achsen-Stroms,
eine Quadratwurzel der Summe des Quadratwerts des q-Achsen-Stroms
und des Quadratwerts des d-Achsen-Stroms, der q-Achsen-Spannungsbefehlswert,
eine Summe eines Quadratwerts des q-Achsen-Spannungsbefehlswerts
und eines Quadratwerts des d-Achsen-Spannungsbefehlswerts, eine
Quadratwurzel der Summe des Quadratwerts des q-Achsen-Spannungsbefehlswerts
und des Quadratwerts des d-Achsen-Spannungsbefehlswerts oder ein
Wert, der aus einer Division der Quadratwurzel der Summe des Quadratwerts
des q-Achsen-Spannungsbefehlswerts und des Quadratwerts des d-Achsen-Spannungsbefehlswerts
durch einen Leistungsquellenspannungswert resultiert, berechnet.
Diese Berechnungen können bei der normalen Motorvektorsteuerung
vorgenommen werden.
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Gemäß dem
vorherigen Ausführungsbeispiel kann bei der schnellen Lenkoperationsbedingung, bei
der der Fahrer nicht so sehr eine große Vibration und ein
großes Geräusch wahrnehmen wird, durch Implementieren
des Zweiphasen-Modulationsverfahrens ein großes Lenkunterstützungsdrehmoment
geliefert werden. Bei der normalen Lenkoperation, bei dem der Fahrer
eine Vibration und ein Geräusch wahrnehmen und einen Drehmomentunterstützungsfehler
bemerken wird, können durch Implementieren des Dreiphasen-Modulationsverfahrens,
das eine hohe Genauigkeit bei der Berechnung des Unterstützungsdrehmoments
liefert, eine reibungslose Drehmomentunterstützung sowie
ein geringes Geräusch und eine geringe Vibration erreicht
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 4847743 [0006]
- - JP 2577738 [0006]
- - US 7053587 [0007]
- - JP 2005-229676 A [0007]