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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Motoransteuerungsvorrichtung für ein elektrisches Kraftlenksystem eines Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff nach Anspruch 1.
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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 A (
JP 2,577,738 B2 ) 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 B2 (
JP 2005-229676 A ) 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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Der gattungsbildende Stand der Technik ist aus der
US 2004/0217729 A1 bekannt, welche einen Dreiphasen-Wechselrichter und eine Steuerung offenbart.
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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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ERLÄUTERUNG DER ERFINDUNG
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Motoransteuerungsvorrichtung 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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Diese Aufgabe wird durch denen Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Eine vorteilhafte Weiterbildungen ist Gegenstand des Unteranspruchs 2.
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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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Figurenliste
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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:
- 1 ein schematisches Diagramm, das eine Motoransteuerungsvorrichtung für ein elektrisches Kraftlenksystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt; und
- 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 0 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 VI 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-Modulationsverfahrens 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.
