JP2017017897A - 埋込磁石同期電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】３相の埋込磁石動機電動機に接続されるインバータの１相に異常が生じた場合において、同期電動機が意図せずして回生制御される事態を十分に抑制しつつ同期電動機を駆動する。【解決手段】規定角度領域Ａにおいて、ｑ軸の電流は直流値に、また、ｄ軸の電流は、回転角度を独立変数とする正接関数の従属変数の値に制御される。ここで、規定角度領域Ａにおけるｄ軸電流の最大値ｉｄｍａｘを用いた場合、「φ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）・ｉｄｍａｘ」がゼロ以上となる特性の同期電動機を用いる。【選択図】図５

Description

本発明は、埋込磁石を備えた３相の同期電動機を制御対象とし、該同期電動機に接続された電力変換回路を操作する埋込磁石同期電動機の制御装置に関する。

たとえば特許文献１には、３相の表面磁石同期電動機（ＳＰＭＳＭ）に接続されるインバータの１相に異常が生じ、ＳＰＭＳＭとインバータとの間の導通不良が生じる場合、残り２相に通電することによって、ＳＰＭＳＭを駆動する装置が記載されている。特に、この装置では、１相に異常が生じる場合、正常な残り２相によって、ｄ軸電流を、電気角を独立変数とする正接関数値に制御する。これにより、インバータのスイッチング素子を流れる電流がインバータの許容最大値を超える値にまでｄ軸電流の絶対値が大きくなる角度領域を除き、ｑ軸電流を一定値に制御することができることから、上記角度領域を除き、トルクを一定値とすることができる。

特開２００８−３０１６５８号公報

ところで、同期電動機として、ＳＰＭＳＭに代えて埋込磁石同期電動機（ＩＰＭＳＭ）を用いる場合、マグネットトルクに加えて、リラクタンストルクが生じるため、ｑ軸電流を一定値に制御できたとしても、トルクが一定とはならない。更に悪いことには、リラクタンストルクとマグネットトルクとが互いに逆極性となって且つ、リラクタンストルクの絶対値がマグネットトルクの絶対値よりも大きくなる場合、同期電動機が意図せずして回転を妨げるトルクを生成するように制御されることになる。

本発明は、そうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、埋込磁石動機電動機に接続されるインバータの１相に異常が生じた場合において、同期電動機が意図せずして回転を妨げるトルクを生成するように制御される事態が生じることを抑制しつつ同期電動機を駆動できるようにした埋込磁石同期電動機の制御装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段およびその作用効果について記載する。
１．埋込磁石を備えた３相の同期電動機を制御対象とし、該同期電動機に接続された電力変換回路を操作する埋込磁石同期電動機の制御装置において、前記電力変換回路の３つの出力端子のうちの１つが前記同期電動機の１つの端子に正常に電圧を印加できない異常が生じたか否かを判定する異常判定処理部と、前記異常判定処理部によって異常が生じたと判定される場合、前記電力変換回路を操作することによって、回転角度を独立変数とする正接関数の従属変数の値にｄ軸電流を制御する正接処理部と、を備え、前記正接処理部は、前記同期電動機を流れるｄ軸電流に応じたリラクタンストルクがマグネットトルクとは逆極性となるときにおける前記リラクタンストルクの絶対値が前記マグネットトルクに一致する値以下である場合に前記正接関数の従属変数の値に前記ｄ軸電流を制御する。

上記正接処理部による処理を実行する場合、マグネットトルクを一定値に制御することができるものの、リラクタンストルクは大きく変動する。そして、マグネットトルクとリラクタンストルクとが逆極性であるときにおいて、リラクタンストルクの絶対値がマグネットトルクの絶対値よりも大きくなる場合には、同期電動機が回転を妨げるトルクを生成するように制御されるおそれがある。そこで上記構成では、異常判定処理部によって異常が生じたと判定されると、マグネットトルクとリラクタンストルクとが逆極性であるときにおいて、リラクタンストルクの絶対値がマグネットトルクの絶対値以下の場合に、正接処理を実行する。これにより、マグネットトルクとリラクタンストルクとの和が、同期電動機の回転を妨げる極性を持つことを好適に抑制することができる。このため、３相の埋込磁石動機電動機に接続されるインバータの１相に異常が生じた場合において、同期電動機が意図せずして回転を妨げるトルクを生成するように制御される事態が生じることを抑制しつつ同期電動機を駆動できる。

２．上記１記載の埋込磁石同期電動機の制御装置において、前記同期電動機は、前記電力変換回路に流れる電流を許容最大値以下とする条件の下、前記正接処理部による処理によってｄ軸電流を最大値とした場合に、リラクタンストルクの絶対値がマグネットトルクの絶対値に一致する値以下となる。

電力変換回路には、これを流れる電流に許容最大値が設定されている。このため、正接処理によって相電流が許容最大値を超える値となる場合には、正接処理部による処理を停止することが望まれる。換言すれば、正接処理部による処理は、相電流を許容最大値以下とする条件が課された場合においてｄ軸の電流の絶対値が最大値となるまで実行可能である。

ここで、上記同期電動機は、相電流を許容最大値以下とする条件が課された場合においてｄ軸の電流の絶対値が最大値となる場合においても、リラクタンストルクがマグネットトルクの絶対値以下となる。したがって、相電流を許容最大値以下とする条件下、正接処理部による処理を継続したとしても、同期電動機が意図せずして回転を妨げるトルクを生成するように制御される事態が生じることを好適に抑制することができる。

３．上記１記載の埋込磁石同期電動機の制御装置において、前記３つの出力端子のうち前記異常が生じたと判定された出力端子以外の２つの出力端子と前記同期電動機との間を流れる電流を正弦波形状の電流に制御する正弦波処理部と、前記同期電動機に要求されるトルクに応じて前記正接処理部による処理と前記正弦波処理部による処理とのいずれを実行するかを切り替える切替処理部と、を備える。

正接処理部による処理によってリラクタンストルクの絶対値が大きくなる場合であっても、正弦波処理部による処理によればリラクタンストルクの絶対値を正接処理部による処理よりも低減することができることがある。上記構成では、この点に着目し、切替処理部を備えることで、正接処理部による処理と正弦波処理部による処理とのうちリラクタンストルクの絶対値が過度に大きくなる方を避けることができる。このため、リラクタンストルクがマグネットトルクを打ち消して同期電動機が意図せずして回転を妨げるトルクを生成するように制御される事態が生じることを抑制することができる。

４．上記３記載の埋込磁石同期電動機の制御装置において、前記正接処理部は、前記電力変換回路に流れる電流が閾値以下となる回転角度領域である規定角度領域において、回転角度を独立変数とする正接関数の従属変数の値に前記ｄ軸電流を制御するものであり、前記切替処理部は、前記規定角度領域において前記正接処理部による処理がなされるとリラクタンストルクがマグネットトルクとは逆極性であるときにおける前記リラクタンストルクの絶対値が前記マグネットトルクに一致する値を上回る場合に、前記正弦波処理部による処理に切り替える。

ｑ軸の電流を同一とする場合、正接処理部による処理によって同期電動機に生じるトルクの方が、正弦波処理部の処理によって同期電動機に生じるトルクよりも大きくなる傾向がある。ここで、上記構成では、相電流を閾値以下とする条件下、正接処理を継続したとしても同期電動機が意図せずして回生制御されないと想定される場合には、正接処理部による処理を実行する。このため、同期電動機のトルクを極力大きくすることができる。

５．上記１記載の埋込磁石同期電動機の制御装置において、前記同期電動機を流れるｄ軸電流に応じたリラクタンストルクがマグネットトルクとは逆極性となるときのリラクタンストルクの絶対値がマグネットトルクに一致する値以下となる回転角度領域である規定角度領域を設定する設定処理部を備え、前記正接処理部は、前記規定角度領域において、回転角度を独立変数とする正接関数の従属変数の値に前記ｄ軸電流を制御する。

上記構成では、設定処理部によって正接処理部による処理を実行する規定角度領域を設定する。このため、正接処理部による処理によって同期電動機が意図せずして回転を妨げるトルクを生成するように制御される事態が生じることを抑制することができる。

６．上記１〜５のいずれか１つに記載の埋込磁石同期電動機の制御装置において、前記同期電動機は、車両の転舵輪を転舵させるトルクを生成する。
転舵輪を転舵させるトルクを生成する同期電動機に接続される電力変換回路に上記異常が生じる場合、転舵輪を転舵させるトルクが不足する事態が懸念される。一方、異常時においても同期電動機を駆動する場合には、同期電動機が意図せずして回転を妨げるトルクを生成するように制御され、ひいては転舵輪の転舵が適切になされないことが懸念される。この点、上記構成では、同期電動機が意図せずして回転を妨げるトルクを生成するように制御される事態が生じることを抑制することができることから、転舵輪を転舵させるトルクを生成する同期電動機に適用して好適である。

第１の実施形態にかかる同期電動機の制御装置を備えたシステム構成図。 同実施形態にかかる制御装置が実行する処理を示すブロック図。 同実施形態にかかる導通不良異常の有無の判定処理の手順を示す流れ図。 同実施形態にかかるＵ相の導通不良時の電流指令値の設定処理の手順を示す流れ図。 （ａ）および（ｂ）は、同実施形態にかかるＵ相の導通不良時の電流およびトルク波形を示すタイムチャート。 第２の実施形態にかかるＵ相の導通不良時の電流指令値の設定処理の手順を示す流れ図。 同実施形態にかかるＵ相の導通不良時の正弦波処理を示すブロック図。 （ａ）および（ｂ）は、正弦波処理時の電流およびトルク波形を示すタイムチャート。 第３の実施形態にかかるＵ相の導通不良時の電流指令値の設定処理の手順を示す流れ図。

＜第１の実施形態＞
以下、埋込磁石同期電動機の制御装置にかかる第１の実施形態について図面を参照しつつ説明する。

図１に示すように、本実施形態にかかる操舵装置においては、ステアリングホイール（ステアリング１０）が、ステアリングシャフト１２に固定されており、ステアリングシャフト１２の回転に応じてラック軸２０が軸方向に往復動する。なお、ステアリングシャフト１２は、ステアリング１０側から順にコラム軸１４、中間軸１６、およびピニオン軸１８を連結することにより構成されている。

ラック軸２０とピニオン軸１８とは、所定の交叉角をもって配置されており、ラック軸２０に形成された第１ラック歯２０ａとピニオン軸１８に形成されたピニオン歯１８ａとが噛合されることで第１ラックアンドピニオン機構２２が構成されている。また、ラック軸２０の両端には、タイロッド２４が連結されており、タイロッド２４の先端は転舵輪２６が組み付けられた図示しないナックルに連結されている。したがって、ステアリング１０の操作に伴うステアリングシャフト１２の回転が第１ラックアンドピニオン機構２２によりラック軸２０の軸方向移動に変換され、この軸方向移動がタイロッド２４を介してナックルに伝達されることにより、転舵輪２６の転舵角、すなわち車両の進行方向が変更される。

上記ラック軸２０は、ピニオン軸２８と所定の交叉角をもって配置されており、ラック軸２０に形成された第２ラック歯２０ｂとピニオン軸２８に形成されたピニオン歯２８ａとが噛合されることで第２ラックアンドピニオン機構３０が構成されている。ピニオン軸２８は、ウォームアンドホイール等の減速機構３２を介して、同期電動機３４の回転軸３４ａに接続されている。同期電動機３４は、３相の埋込磁石同期電動機（ＩＰＭＳＭ）である。

同期電動機３４は、インバータＩＮＶを介してバッテリ４０に接続されている。インバータＩＮＶは、バッテリ４０の正極および負極のそれぞれと同期電動機３４の３個の端子のそれぞれとの間を開閉する回路である。

なお、図１においては、インバータＩＮＶを構成するＭＯＳ電界効果トランジスタ（スイッチング素子）の符号のうち同期電動機３４の３個の端子のそれぞれに接続されるものに、「ｕ，ｖ，ｗ」のそれぞれを付与し、また、上側アームに「ｐ」を、下側アームに「ｎ」を付与している。なお、以下では、「ｕ，ｖ，ｗ」を総括して「￥」と表記し、「ｐ，ｎ」を総括して「＃」と表記する。すなわち、インバータＩＮＶは、バッテリ４０の正極と同期電動機３４の端子との間を開閉するスイッチング素子Ｓ￥ｐと、バッテリ４０の負極と同期電動機３４の端子との間を開閉するスイッチング素子Ｓ￥ｎとの直列接続体を備えて構成されている。そして、スイッチング素子Ｓ￥＃には、ダイオードＤ￥＃が逆並列接続されている。

上記インバータＩＮＶには、インバータＩＮＶを流れる電流の許容最大値Ｉｍａｘが設定されている。また、同期電動機３４は、「φ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）・ｉｄｍａｘ」がゼロ以上となる特性を有する。ただし、誘起電圧定数φ、ｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑ（＞Ｌｄ）、および許容最大値Ｉｍａｘに基づき設定される後述のｄ軸電流の最大値ｉｄｍａｘを用いた。換言すれば、同期電動機３４は、後述の制御を実行する場合において、マグネットトルクＴｍとリラクタンストルクＴｆとが逆極性となるときにおいて、リラクタンストルクＴｆの絶対値がマグネットトルクＴｍの絶対値以下となる。

制御装置５０は、同期電動機３４のトルクを制御量とし、インバータＩＮＶを操作することによって、ステアリング１０の操作をアシストするアシスト制御を実行する。この際、制御装置５０は、各種センサの検出値を参照する。これらセンサとしては、たとえば、同期電動機３４の回転軸３４ａの回転角度θを検出する回転角度センサ５８、ステアリングシャフト１２に加わるトルクＴｒｑを検出するトルクセンサ６０，車両の走行速度（車速Ｖ）を検出する車速センサ６２などがある。さらに、制御装置５０は、スイッチング素子Ｓｕｎ，Ｓｖｎ，Ｓｗｎのそれぞれのソース側に接続されたシャント抵抗５２，５４，５６の電圧降下を電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗとして取得し、これらをトルクの制御に際して参照する。

図２に、制御装置５０が実行する処理の一部を示す。
電流指令値設定部７０は、トルクＴｒｑおよび車速Ｖに基づき、ｄ軸の電流指令値ｉｄ＊およびｑ軸の電流指令値ｉｑ＊を設定する。ここで、電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊は、インバータＩＮＶを流れる電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗが許容最大値Ｉｍａｘ以下となるように設定されている。また、電流指令値設定部７０は、正常時には、ｄ軸の電流指令値ｉｄ＊をゼロに設定し、ｑ軸の電流指令値ｉｑ＊については、トルクＴｒｑおよび車速Ｖに基づき可変設定する。ここで、トルクＴｒｑおよび車速Ｖは、ステアリング１０の操作をアシストするアシストトルクの目標値を定めるパラメータである。そして、ｑ軸の電流指令値ｉｑ＊は、アシストトルクの目標値に応じて可変設定される。一方、ｄｑ変換部７２は、電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗをｄｑ軸上の電流ｉｄ，ｉｑに変換する。

偏差算出部７４は、ｄ軸における電流指令値ｉｄ＊から電流ｉｄを減算した値を出力する。そして、フィードバック制御部７６は、偏差算出部７４の出力値に基づき、電流ｉｄを電流指令値ｉｄ＊にフィードバック制御するための操作量としてｄ軸の電圧指令値ｖｄ＊を出力する。具体的には、たとえば、偏差算出部７４の出力値を入力とする比例要素および積分要素のそれぞれの出力値の和を電圧指令値ｖｄ＊とすればよい。

偏差算出部７８は、ｑ軸における電流指令値ｉｑ＊から電流ｉｑを減算した値を出力する。そして、フィードバック制御部８０は、偏差算出部７８の出力値に基づき、電流ｉｑを電流指令値ｉｑ＊にフィードバック制御するための操作量としてｑ軸の電圧指令値ｖｑ＊を出力する。具体的には、たとえば、偏差算出部７８の出力値を入力とする比例要素および積分要素の出力値の和を電流指令値ｉｑ＊とすればよい。

ｕｖｗ変換部８２は、回転座標系であるｄｑ座標系における電圧指令値ｖｄ＊，ｖｑ＊を３相固定座標系における電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊に変換して出力する。ＰＷＭ処理部８４は、電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊を、３相のＰＷＭ信号ｇｕ，ｇｖ，ｇｗに変換する。操作信号生成部８６は、ＰＷＭ信号ｇ￥の立ち上がりエッジをデッドタイムだけ遅延させた上側アームの操作信号ｇ￥ｐと、ＰＷＭ信号ｇ￥の論理反転信号の立ち上がりエッジをデッドタイムだけ遅延させた下側アームの操作信号ｇ￥ｎとを生成して出力する。

異常判定処理部８８は、電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗおよび回転角度θに基づき、インバータＩＮＶの出力端子（Ｓ￥ｐ，Ｓ￥ｎの接続点）のうちの１つが同期電動機３４の対応する端子に正常に電圧を印加できない異常の有無を判定する。電流指令値設定部７０では、異常判定処理部８８により異常が生じた旨判定された場合には、電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊を異常時用に変更する。以下、これについて詳述する。

図３は、異常判定処理の手順を示す。この処理は、異常判定処理部８８によって、たとえば所定周期で繰り返し実行される。なお、図３では、異常判定処理として、Ｕ相に異常が生じた場合を例示している。

図３に示す一連の処理において、まず、異常判定処理部８８は、Ｕ相の電流ｉｕの絶対値が閾値Ｉｔｈ以下である状態が所定時間継続するか否かを判定する（Ｓ１０）。ここで、閾値Ｉｔｈは、ゼロ、または正であってゼロに近い値とする。異常判定処理部８８は、閾値Ｉｔｈ以下であると判定する場合（Ｓ１０：ＹＥＳ）、回転角度θの微分演算や差分演算によって算出される回転速度ωの絶対値が、上記所定時間において閾値速度ωｔｈ以下であるか否かを判定する（Ｓ１２）。ここで、閾値速度ωｔｈは、同期電動機３４の制御が正常であるときにおいて想定される最高回転速度程度に設定されている。異常判定処理部８８は、閾値速度ωｔｈ以下であると判定する場合（Ｓ１２：ＹＥＳ）、Ｕ相の電圧指令値ｖｕ＊の絶対値が上記所定時間において閾値電圧ｖｔｈ以下であるか否かを判定する（Ｓ１４）。閾値電圧ｖｔｈは、同期電動機３４の制御が正常であるときにおいて想定されるインバータＩＮＶの出力端子の電圧の最高値程度に設定されている。

そして、異常判定処理部８８は、閾値電圧ｖｔｈ以下であると判定する場合（Ｓ１４：ＹＥＳ）、インバータＩＮＶの出力端子のうちＵ相の出力端子から同期電動機３４の端子に正常に電圧を印加できない異常（導通不良異常）がある旨判定する（Ｓ１６）。そして、異常判定処理部８８は、その旨を電流指令値設定部７０に出力する。

なお、異常判定処理部８８は、ステップＳ１６の処理が完了する場合や、ステップＳ１０，Ｓ１２，Ｓ１４において否定判定する場合には、この一連の処理を一旦終了する。ちなみに、Ｖ相やＷ相の導通不良異常の有無は、ステップＳ１０において、ｕ相の電流ｉｕの絶対値に代えて、Ｖ相の電流ｉｖの絶対値やＷ相の電流ｉｗの絶対値を用い、ステップＳ１４において、Ｕ相の電圧指令値ｖｕ＊の絶対値に代えて、Ｖ相の電圧指令値ｖｖ＊の絶対値やＷ相の電圧指令値ｖｗ＊の絶対値を用いて判定すればよい。

図４に、Ｕ相の導通不良異常時における電流指令値設定部７０の処理の手順を示す。この処理は、電流指令値設定部７０によって、たとえば所定周期で繰り返し実行される。
図４に示す一連の処理においては、電流指令値設定部７０は、まず、Ｕ相の導通不良異常時であるか否かを判定する（Ｓ２０）。そして、電流指令値設定部７０は、Ｕ相の導通不良異常時であると判定する場合（Ｓ２０：ＹＥＳ）、電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊を、Ｕ相の導通不良異常時のものに設定する（Ｓ２２）。ここでは、図５（ａ）に示す角度領域θ１〜θ２および角度領域θ３〜θ４を除いた角度領域Ａ１，Ａ２，Ａ３からなる規定角度領域Ａにおいて、ｑ軸の電流指令値ｉｑ＊については、トルクＴｒｑおよび車速Ｖに基づき正常時と同様に設定する。また、規定角度領域Ａにおいては、ｄ軸の電流指令値ｉｄ＊を、回転角度θを独立変数とする正接関数の従属変数の値「ｉｑ＊・ｔａｎθ」に設定する。ここで、規定角度領域Ａは、電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊を上記のように設定した場合に、電流ｉｖ，ｉｗが、許容最大値Ｉｍａｘ以下となる領域である。

ここで、規定角度領域においては、電流ｉｖ，ｉｗは、以下となる。
ｉｖ＝ｉｑ＊／｛（√２）・ｃｏｓθ｝ …（ｃ１）
ｉｗ＝−ｉｑ＊／｛（√２）・ｃｏｓθ｝ …（ｃ２）
したがって、上記（ｃ１）の電流ｉｖを許容最大値Ｉｍａｘとし、回転角度θを「θ１」とすることにより、θ１が以下の式（ｃ３）として定義される。

ｃｏｓθ１＝ｉｑ＊／｛（√２）・Ｉｍａｘ｝ …（ｃ３）
同様、上記（ｃ２）の電流ｉｗを許容最大値Ｉｍａｘとし、回転角度θを「θ２」とすることにより、θ２が以下の式（ｃ３）として定義される。

ｃｏｓθ２＝−ｉｑ＊／｛（√２）・Ｉｍａｘ｝ …（ｃ４）
さらに、０〜２πの間において正接関数がゼロとなるのが、０とπとであることに鑑みれば、θ３，θ４は、以下の式（ｃ５），（ｃ６）によって定義される。

θ３＝２π−θ２ …（ｃ５）
θ４＝２π−θ１ …（ｃ６）
なお、角度領域θ１〜θ２と角度領域θ３〜θ４とにおいては、電流ｉｖ，ｉｗの絶対値が許容最大値Ｉｍａｘで固定される制御を実行する。したがって、規定角度領域Ａにおけるｄ軸電流の最大値ｉｄｍａｘは、以下の式（ｃ７）となる。

ｉｄｍａｘ＝ｉｑ＊・ｔａｎθ１…（ｃ７）
なお、図４のステップＳ２２の処理が完了する場合、この一連の処理は一旦終了される。ちなみに、制御装置５０は、Ｖ相やＷ相の導通不良異常時においては、ｄ軸の電流指令値ｉｄ＊の位相をずらすことにより、同様の制御を実行する。

ここで、本実施形態の作用を説明する。
制御装置５０は、Ｕ相に導通不良異常が生じたと判定する場合、図５（ａ）に示す態様にて、角度領域θ１〜θ２と角度領域θ３〜θ４とを除いた規定角度領域Ａにおいて、ｄ軸の電流指令値ｉｄ＊を正接関数値に従って変化させる。これにより、図５（ｂ）に示すように、規定角度領域Ａにおいては、マグネットトルクＴｍを一定値とすることができる。

ただし、規定角度領域Ａにおいても、リラクタンストルクＴｆは変動する。しかし、本実施形態にかかる同期電動機３４は、「φ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）・ｉｄｍａｘ」がゼロ以上となる特性を有するため、マグネットトルクＴｍとリラクタンストルクＴｆとの和である同期電動機３４のトルクＴは、常時ゼロ以上となる。すなわち、同期電動機３４の極対数ｐを用いると、同期電動機３４のトルクＴは、以下の式（ｃ８）にて表現される。

Ｔ＝ｐ・ｉｑ・｛φ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）・ｉｄ｝ …（ｃ８）
したがって、「φ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）・ｉｄｍａｘ」がゼロ以上となる同期電動機３４の場合、上記の式（ｃ８）から、トルクＴをゼロ以上とすることができる。

以上説明した本実施形態によれば、以下に記載する効果が得られるようになる。
（１）「φ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）・ｉｄｍａｘ」がゼロ以上となる同期電動機３４において、導通不良異常時にｉｄｍａｘとなるまでｄ軸の電流指令値ｉｄ＊を正接関数値に応じて変化させた。これにより、同期電動機３４が意図せずして回転を妨げるトルクを生成するように制御される事態が生じることを抑制しつつ同期電動機３４を駆動することができる。

ここで、上記の式（ｃ８）によれば、規定角度領域Ａにおけるトルクは、以下の式（ｃ９）となる。
Ｔ＝ｐ・ｉｑ＊・｛φ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）・ｉｑ＊・ｔａｎθ｝ …（ｃ９）
これに対し、正常な２相の電流を正弦波形状に制御する場合には、マグネットトルクＴｍは、正弦波形状の電流の位相Δを用いると、以下の式（ｃ１０）となる。

Ｔｍ＝ｐ・ｉｑ＊・φ・｛１＋ｓｉｎ（２θ＋Δ）｝／（√２） …（ｃ１０）
したがって、マグネットトルクＴｍが｛１＋ｓｉｎ（２θ＋Δ）｝の因子によって周期的に変動し、最低値はゼロとなる。このため、特に、誘起電圧定数φの絶対値が「Ｌｄ−Ｌｑ」の絶対値よりも大きい場合等には、正弦波形状に電流を制御する場合と比較すると、規定角度領域Ａにおいて本実施形態のように制御する場合の方がトルクＴを確保しやすく、これにより、ステアリング１０の操作をアシストするアシスト力を生成しやすい。

＜第２の実施形態＞
以下、第２の実施形態について、第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

上記実施形態では、ｄ軸の電流の最大値ｉｄｍａｘを上記の式（ｃ７）で定義した場合に、「φ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）・ｉｄｍａｘ」がゼロ以上となる同期電動機３４を採用した。これに対し、本実施形態では、ｄ軸の電流の最大値ｉｄｍａｘを上記の式（ｃ７）で定義した場合に、「φ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）・ｉｄｍａｘ＜０」となる同期電動機３４を採用する。

図６に、本実施形態にかかる異常判定時の電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊の設定処理の手順を示す。この処理は、電流指令値設定部７０によってたとえば所定周期で繰り返し実行される。なお、図６に示す処理は、図４に示した処理に代えて実行されるものであり、図４に示した処理に対応するものについては、便宜上、同一のステップ番号を付している。

図６に示す一連の処理において、電流指令値設定部７０は、Ｕ相の導通不良異常時であると判定する場合（Ｓ２０：ＹＥＳ）、トルクＴｒｑおよび車速Ｖに基づき、ｑ軸の電流指令値ｉｑ＊を設定する（Ｓ３０）。この処理は、正常時における電流指令値ｉｑ＊の設定処理と同様とすればよい。次に、電流指令値設定部７０は、電流指令値ｉｑ＊と上記の式（ｃ７）とに基づき、ｄ軸の電流の最大値ｉｄｍａｘを算出する（Ｓ３２）。そして、電流指令値設定部７０は、算出した最大値ｉｄｍａｘに基づき、「φ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）・ｉｄｍａｘ」がゼロ以上であるか否かを判定する（Ｓ３４）。この処理は、マグネットトルクＴｍとリラクタンストルクＴｆとが逆極性となるときにおいて、リラクタンストルクＴｆの絶対値がマグネットトルクＴｍの絶対値以下となるか否かを判定するものである。

そして、電流指令値設定部７０は、ゼロ以上であると判定する場合（Ｓ３４：ＹＥＳ）、図４のステップＳ２２と同様、正接処理を実行する（Ｓ３６）。これに対し、電流指令値設定部７０は、ゼロ未満であると判定する場合（Ｓ３４：ＮＯ）、Ｖ相およびＷ相の電流指令値ｉｖ＊，ｉｗ＊を設定する（Ｓ３８）。なお、この場合の電流制御器は、図２に示したものに代えて、図７に示すものとなる。

なお、電流指令値設定部７０は、ステップＳ３４，Ｓ３６の処理が完了する場合やステップＳ２０において否定判定する場合には、図６に示す一連の処理を一旦終了する。
図７に、Ｕ相導通不良時の処理の一部を示す。

偏差算出部９２は、電流指令値設定部７０によって設定されたＶ相の電流指令値ｉｖ＊から電流ｉｖを減算した値を出力する。フィードバック制御部９４は、偏差算出部９２の出力値に基づき、電流ｉｖを電流指令値ｉｖ＊にフィードバック制御するための操作量として、Ｖ相の電圧指令値ｖｖ＊を算出する。これは、たとえば、偏差算出部９２の出力値を入力とする比例要素および積分要素のそれぞれの出力値の和を電圧指令値ｖｖ＊とすることにより算出することができる。

偏差算出部９６は、電流指令値設定部７０によって設定されたＷ相の電流指令値ｉｗ＊から電流ｉｗを減算した値を出力する。フィードバック制御部９８は、偏差算出部９６の出力値に基づき、電流ｉｗを電流指令値ｉｗ＊にフィードバック制御するための操作量として、Ｗ相の電圧指令値ｖｗ＊を算出する。これは、たとえば、偏差算出部９６の出力値を入力とする比例要素および積分要素のそれぞれの出力値の和を電圧指令値ｖｗ＊とすることにより算出することができる。

図８（ａ）に、本実施形態にかかる３相の電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗと、ｄｑ軸上の電流ｉｄ，ｉｑの推移を示し、図８（ｂ）に、トルクＴ、マグネットトルクＴｍおよびリラクタンストルクＴｆの推移を示す。

図８に示すように、本実施形態では、Ｖ相とＷ相の電流を、互いに逆位相の基本波電流に制御している。特に、本実施形態では、ｑ軸の電流ｉｑがゼロ以上となるようにしており、これにより、マグネットトルクＴｍおよびトルクＴをともにゼロ以上としている。このようにｑ軸の電流ｉｑをゼロ以上とする制御は、電流ｉｖ，ｉｗの位相の制御によって実現することができる。すなわち、たとえば、電流指令値ｉｖ＊，ｉｗ＊を以下の式（ｃ１１），（ｃ１２）とする場合、位相Δの設定によって実現することができる。

ｉｖ＊＝Ｉ・ｃｏｓ（θ＋Δ）…（ｃ１１）
ｉｗ＊＝−Ｉ・ｃｏｓ（θ＋Δ）…（ｃ１２）
なお、電流指令値ｉｖ＊，ｉｗ＊の振幅Ｉは、トルクＴｒｑおよび車速Ｖに応じて可変設定される。

このように、本実施形態では、正接処理と正弦波処理とを切り替えることにより、トルクＴｒｑおよび車速Ｖに応じて定まるアシストトルクの目標値がいかなる値の場合であっても、同期電動機３４が意図せずして回生制御される事態が生じることを十分に抑制することができる。

＜第３の実施形態＞
以下、第３の実施形態について、第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

第１の実施形態では、ｄ軸の電流の最大値ｉｄｍａｘを上記の式（ｃ７）で定義した場合に、「φ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）・ｉｄｍａｘ」がゼロ以上となる同期電動機３４を採用した。これに対し、本実施形態では、ｄ軸の電流の最大値ｉｄｍａｘを上記の式（ｃ７）で定義した場合に、「φ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）・ｉｄｍａｘ＜０」となる同期電動機３４を採用する。ただし、上記第２の実施形態では、正接処理と正弦波処理とを切り替える処理を実行して同期電動機３４のトルクが負となる事態を回避したが、本実施形態では、正接処理が実行される規定角度領域Ａを可変設定することにより、同期電動機３４のトルクが負となる事態を回避する。

図９に、本実施形態にかかる異常判定時の電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊の設定処理の手順を示す。この処理は、電流指令値設定部７０によってたとえば所定周期で繰り返し実行される。なお、図９に示す処理は、図４に示した処理に代えて実行されるものであり、図４に示した処理に対応するものについては、便宜上、同一のステップ番号を付している。

図９に示す一連の処理において、電流指令値設定部７０は、Ｕ相の導通不良異常時であると判定する場合（Ｓ２０：ＹＥＳ）、トルクＴｒｑおよび車速Ｖに基づき、ｑ軸の電流指令値ｉｑ＊を設定する（Ｓ４２）。この処理は、正常時における電流指令値ｉｑ＊の設定処理と同様とすればよい。

そして、電流指令値設定部７０は、正接処理を実行する規定角度領域Ａを設定する（Ｓ４４）。ここで、規定角度領域Ａは、正接処理によるｄ軸の電流ｉｄが、以下の式（ｃ１３）で定義される電流ｉｄ１以下となる領域とされる。

φ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）・ｉｄ１＝０ …（ｃ１３）
すなわち、正接処理によって同期電動機３４のトルクがゼロ以上となる領域が規定角度領域Ａとされる。ここで、正接処理において、ｄ軸の電流指令値ｉｄ＊は、「ｉｑ＊・ｔａｎθ」とされるため、ｄ軸の電流ｉｄ１は、回転角度θのみならずｑ軸の電流ｉｑに依存する。このため、規定角度領域Ａは、ｑ軸の電流指令値ｉｑ＊に応じて可変設定されることとなる。

具体的には、規定角度領域Ａを、図５に示したように角度領域θ１〜θ２および角度領域θ３〜θ４を除いた領域とする場合、θ１〜θ４は、以下の式（ｃ１４）〜（ｃ１７）によって定義される。

ｉｄ１＝ｉｑ＊・ｔａｎθ１ …（ｃ１４）
θ２＝π−θ１ …（ｃ１５）
θ３＝２π−θ２ …（ｃ１６）
θ４＝２π−θ１ …（ｃ１７）
そして、電流指令値設定部７０では、回転角度θに応じて電流指令値ｉｄ＊を設定する（Ｓ４６）。ただし、規定角度領域Ａから外れる場合には、電流ｉｖ，ｉｗの絶対値が許容最大値Ｉｍａｘで固定される制御を実行する。

＜その他の実施形態＞
なお、上記実施形態の各事項の少なくとも１つを、以下のように変更してもよい。以下において、「課題を解決するための手段」の欄に記載した事項と上記実施形態における事項との対応関係を符号等によって例示した部分があるが、これには、例示した対応関係に上記事項を限定する意図はない。なお、「課題を解決するための手段」の欄に記載した設定処理部は、ステップＳ４４の処理に対応する。

・「異常判定処理部（Ｓ１０〜Ｓ１６）について」
上記実施形態では、異常判定処理部を、図３のステップＳ１０〜Ｓ１６を実行する制御装置５０によって実現したが、これに限らない。たとえば、インバータＩＮＶの出力端子の電圧を検出する電圧センサの検出値が定常的にゼロである場合に、異常である旨判定するものであってもよい。

・「正接処理部（Ｓ２２，Ｓ３６，Ｓ４６）について」
上記実施形態では、正接処理部を、ｄｑ軸における電流フィードバック制御を前提とし、ｄ軸の電流指令値ｉｄ＊を正接関数値に設定する処理を実行する制御装置５０としたが、これに限らない。たとえば、図７に示したような相電流フィードバック制御を前提としてもよい。この場合、たとえば、Ｕ相に導通不良が生じた場合には、Ｖ相、およびＷ相の電流指令値ｉｖ＊，ｉｗ＊を、上記の式（ｃ１），（ｃ２）に鑑み、以下の式（ｃ１８），（ｃ１９）に設定すればよい。

ｉｖ＊＝ｉｑ＊／（√２）ｃｏｓθ
ｉｗ＊＝−ｉｑ＊／（√２）ｃｏｓθ
また、相電流フィードバック制御としては、電流指令値ｉｖ＊（ｉｗ＊）と電流ｉｖ（ｉｗ）との差を入力とするＰＩ制御器を用いるものに限らず、たとえば、周知の瞬時電流値制御を行ってもよい。すなわち、電流ｉｖ（ｉｗ）が「ｉｖ＊（ｉｗ＊）＋ｈｙｓ／２」を超えるか、「ｉｖ＊（ｉｗ＊）−ｈｙｓ／２」を下回るかに応じてスイッチング状態を切り替えることによって、電流指令値ｉｖ＊（ｉｗ＊）を中心とする所定のヒステリシス幅ｈｙｓ内に電流を制御してもよい。

・「正弦波処理部（図７）について」
上記実施形態では、正弦波処理部を、図７に示した処理を実行する制御装置５０としたが、これに限らない。たとえば、フィードバック制御部９４，９８に代えて、瞬時電流値制御を実行してもよい。すなわち、電流ｉｖ（ｉｗ）が「ｉｖ＊（ｉｗ＊）＋ｈｙｓ／２」を超えるか、「ｉｖ＊（ｉｗ＊）−ｈｙｓ／２」を下回るかに応じてスイッチング状態を切り替えることによって、電流指令値ｉｖ＊（ｉｗ＊）を中心とする所定のヒステリシス幅ｈｙｓ内に電流を制御してもよい。

正弦波処理部としては、相電流フィードバック制御をするものに限らない。たとえば、ｄｑ軸の電流フィードバック制御を実行するものであってもよい。これは、図２に示す電流指令値設定部７０において、ｄ軸の電流指令値ｉｄ＊およびｑ軸の電流指令値ｉｑ＊を直流成分として設定することで実現することができる。詳しくは、たとえば、ｑ軸の電流指令値ｉｑ＊をトルクに応じた直流値に設定し、ｄ軸の電流指令値ｉｄ＊をゼロに設定すればよい。

・「切替処理部（Ｓ３０〜Ｓ３４）について」
上記実施形態では、切替処理部を、ステップＳ３０〜Ｓ３４を実行する制御装置５０としたが、これに限らない。たとえば、１相が導通不良となっている際には、車速Ｖに応じたきめ細かな制御を断念し、検出されたトルクＴｒｑのみに基づき、ｑ軸の電流指令値ｉｑ＊を設定してもよい。また、正接処理を実行する際のｄ軸の電流の最大値ｉｄｍａｘを、「ｉｑ＊・ｔａｎθ１」とし、「φ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）・ｉｄｍａｘ」がゼロ以上である場合に正接処理を実行するものに限らない。たとえば、正接処理として、図９に示した処理を実行すると仮定した場合のトルクリップルが、正弦波処理を実行した場合のトルクリップルよりも小さくなる場合に、正接処理を選択し、大きくなる場合に正弦波処理を選択するものであってもよい。

・「正常時の処理について」
上記実施形態では、正常時のｄ軸の電流指令値ｉｄ＊をゼロとしたが、これに限らない。たとえば、電流指令値ｉｄ＊を負として且つ、アシストトルクの目標値が大きいほど絶対値を大きく設定するなら、最小の電流で生成されるトルクを最大とする最小電流最大トルク制御を実現することができる。

・「電力変換回路（ＩＮＶ）について」
上記実施形態では、電力変換回路をインバータＩＮＶにて構成したが、これに限らない。たとえば、スイッチング素子Ｓ￥＃として、ＭＯＳ電界効果トランジスタに代えて、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を用いてもよい。また、バッテリ４０を直接の直流電圧源とすることも必須ではなく、たとえばインバータＩＮＶの入力端子間にコンデンサを接続し、これを直流電圧源としてもよい。この場合において、たとえば、同期電動機３４を、Ｙ結線として、中点を接地する場合、インバータＩＮＶの操作によって、コンデンサの電圧をバッテリ４０の電圧に対して昇圧して利用することもできる。

・「同期電動機について」
ステアリング１０の操作をアシストするアシストトルクを生成するものに限らず、ステアリング１０と転舵輪２６との間の動力伝達が遮断された状態において、転舵輪２６を転舵させるものであってもよい。もっとも、転舵輪２６を転舵させるものに適用されること自体必須ではない。

１０…ステアリング、１２…ステアリングシャフト、１４…コラム軸、１６…中間軸、１８…ピニオン軸、１８ａ…ピニオン歯、２０…ラック軸、２０ａ…第１ラック歯、２０ｂ…第２ラック歯、２２…第１ラックアンドピニオン機構、２４…タイロッド、２６…転舵輪、２８…ピニオン軸、２８ａ…ピニオン歯、３０…第２ラックアンドピニオン機構、３２…減速機構、３４…同期電動機、３４ａ…回転軸、４０…バッテリ、５０…制御装置、５２、５４，５６…シャント抵抗、５８…回転角度センサ、６０…トルクセンサ、６２…車速センサ、７０…電流指令値設定部、７２…ｄｑ変換部、７４…偏差算出部、７６…フィードバック制御部、７８…偏差算出部、８０…フィードバック制御部、８２…ｕｖｗ変換部、８４…ＰＷＭ処理部、８６…操作信号生成部、８８…判定処理部、９２…偏差算出部、９４…フィードバック制御部、９６…偏差算出部、９８…フィードバック制御部。

Claims (6)

1. 埋込磁石を備えた３相の同期電動機を制御対象とし、該同期電動機に接続された電力変換回路を操作する埋込磁石同期電動機の制御装置において、
   前記電力変換回路の３つの出力端子のうちの１つが前記同期電動機の１つの端子に正常に電圧を印加できない異常が生じたか否かを判定する異常判定処理部と、
   前記異常判定処理部によって異常が生じたと判定される場合、前記電力変換回路を操作することによって、回転角度を独立変数とする正接関数の従属変数の値にｄ軸電流を制御する正接処理部と、を備え、
   前記正接処理部は、前記同期電動機を流れるｄ軸電流に応じたリラクタンストルクがマグネットトルクとは逆極性となるときにおける前記リラクタンストルクの絶対値が前記マグネットトルクに一致する値以下である場合に前記正接関数の従属変数の値に前記ｄ軸電流を制御する埋込磁石同期電動機の制御装置。
2. 前記同期電動機は、前記電力変換回路に流れる電流を許容最大値以下とする条件の下、前記正接処理部による処理によってｄ軸電流を最大値とした場合に、リラクタンストルクの絶対値がマグネットトルクの絶対値に一致する値以下となる請求項１記載の埋込磁石同期電動機の制御装置。
3. 前記３つの出力端子のうち前記異常が生じたと判定された出力端子以外の２つの出力端子と前記同期電動機との間を流れる電流を正弦波形状の電流に制御する正弦波処理部と、
   前記同期電動機に要求されるトルクに応じて前記正接処理部による処理と前記正弦波処理部による処理とのいずれを実行するかを切り替える切替処理部と、を備える請求項１記載の埋込磁石同期電動機の制御装置。
4. 前記正接処理部は、前記電力変換回路に流れる電流が閾値以下となる回転角度領域である規定角度領域において、回転角度を独立変数とする正接関数の従属変数の値に前記ｄ軸電流を制御するものであり、
   前記切替処理部は、前記規定角度領域において前記正接処理部による処理がなされるとリラクタンストルクがマグネットトルクとは逆極性であるときにおける前記リラクタンストルクの絶対値が前記マグネットトルクに一致する値を上回る場合に、前記正弦波処理部による処理に切り替える請求項３記載の埋込磁石同期電動機の制御装置。
5. 前記同期電動機を流れるｄ軸電流に応じたリラクタンストルクがマグネットトルクとは逆極性となるときのリラクタンストルクの絶対値がマグネットトルクに一致する値以下となる回転角度領域である規定角度領域を設定する設定処理部を備え、
   前記正接処理部は、前記規定角度領域において、回転角度を独立変数とする正接関数の従属変数の値に前記ｄ軸電流を制御する請求項１記載の埋込磁石同期電動機の制御装置。
6. 前記同期電動機は、車両の転舵輪を転舵させるトルクを生成する請求項１〜５のいずれか１項に記載の埋込磁石同期電動機の制御装置。