JP5257374B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

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本発明は、運転者の操舵操作に基づいて電動モータを駆動制御して操舵アシストトルクを発生する電動パワーステアリング装置に関する。
従来から、電動パワーステアリング装置は、運転者のハンドル操作をアシストする電動モータと、運転者が操舵ハンドルに入力した操舵トルクに応じた目標アシストトルクを設定して電動モータを駆動制御する電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと呼ぶ）を備えている。電動モータとしてブラシレスＤＣモータを使用した電動パワーステアリング装置も一般化されている。ブラシレスＤＣモータは、インバータのスイッチング制御によりＵ相，Ｖ相，Ｗ相への通電が行われる。ブラシレスＤＣモータは、回転子に設けられた永久磁石の磁界が貫く方向となるｄ軸と、ｄ軸に直交する方向となるｑ軸とを定めたｄ−ｑ座標を用いた電流ベクトル制御により駆動される。従って、ブラシレスＤＣモータを使用する場合には、回転子の電気角を検出するための回転角センサが設けられる。
回転角センサが故障した場合には、モータの制御が不能となる。そこで、回転角センサが故障した場合には、モータで発生する誘起電圧（逆起電力）に基づいて電気角を推定し、この推定した電気角（推定電気角）を使ってモータを駆動制御する電動パワーステアリング装置が知られている。このように推定電気角を使ったモータの制御は、センサレス制御と呼ばれている。
センサレス制御においては、モータで発生する誘起電圧と角速度とが比例関係を有することを利用して、誘起電圧からモータ角速度を算出する。そして、センサレス制御の演算周期とモータ角速度とから、１周期あたりにモータが回転した角度を求め、１周期前の電気角にこの回転角度をモータ回転方向に加算することで現時点の電気角、つまり、推定電気角を算出する。こうしたセンサレス制御については、例えば、特許文献１に提案されている。センサレス制御を行う場合、ＥＣＵは、推定電気角に基づいて、ｄ軸とｑ軸とを推定し、推定したｄ−ｑ座標を用いて電流ベクトル制御を行う。
また、センサレス制御を行う場合、操舵トルクから目標アシストトルクを設定するアシストトルクマップを変更する電動パワーステアリング装置も特許文献２に知られている。この特許文献２の装置では、センサレス制御を行う場合、目標アシストトルクがゼロに設定されるアシスト不感帯を広く設定している。
特開２００８−８７７５６号公報 特開２００８−３７３９９号公報
ところが、センサレス制御を行う場合、モータの回転方向の推定を誤るとモータが脱調する。例えば、特許文献１のものにおいては、操舵トルクセンサにより検出した操舵トルクからモータの回転方向を推定しているが、操舵ハンドルの戻し操作を行うときには、操舵ハンドルを握っている力を緩めるようにして操舵ハンドルを中立位置側に戻すため、操舵トルクの方向とモータの回転方向とが互いに反対となる。従って、推定電気角がモータの回転方向と逆方向に進んでしまいモータが脱調する。モータが脱調すると、トルク変動が発生し、これにより操舵ハンドルが振動する。従って、運転者に違和感を与えてしまう。
また、特許文献２のものにおいても、モータ脱調時における操舵ハンドルに発生する振動を低減する技術思想は存在しない。
本発明の目的は、上記問題に対処するためになされたもので、モータが脱調したときに発生する振動により運転者に与える違和感を低減することにある。
上記目的を達成するために、本発明の特徴は、ステアリング機構に設けられて操舵アシストトルクを発生する永久磁石同期モータと、操舵ハンドルからステアリングシャフトに入力された操舵トルクを検出する操舵トルクセンサと、前記操舵トルクセンサで検出される操舵トルクが大きくなるにしたがって目標操舵アシストトルクを大きく設定するように前記操舵トルクと前記目標操舵アシストトルクとを関係付けたアシスト特性を記憶し、前記アシスト特性に基づいて前記操舵トルクから目標操舵アシストトルクを設定する目標操舵アシストトルク設定手段と、前記永久磁石同期モータの電気角を検出するための回転角センサと、前記回転角センサの異常を検出するためのセンサ異常検出手段と、前記永久磁石同期モータの回転方向を推定する回転方向推定手段と、前記センサ異常検出手段により前記回転角センサの異常が検出されているとき、前記永久磁石同期モータで発生する誘起電圧と前記永久磁石同期モータの回転方向とに基づいて前記永久磁石同期モータの推定電気角を算出する電気角推定手段と、前記永久磁石同期モータで前記目標操舵アシストトルクを発生するように、前記回転角センサの異常が検出されていないときには前記回転角センサにより検出された電気角を用いて前記永久磁石同期モータを駆動制御し、前記回転角センサの異常が検出されているときには前記電気角推定手段により算出された推定電気角を用いて前記永久磁石同期モータを駆動制御するモータ制御手段とを備えた電動パワーステアリング装置において、
前記目標操舵アシストトルク設定手段は、前記回転角センサの異常が検出されているときに使用する異常時アシスト特性と、前記回転角センサの異常が検出されていないときに使用する正常時アシスト特性とを記憶し、前記異常時アシスト特性は、前記操舵トルクが予め設定された低トルク域に入る場合には前記正常時アシスト特性に比べて前記目標操舵アシストトルクが小さく、前記操舵トルクが増加して前記低トルク域を越えた場合には前記正常時アシスト特性に比べて前記目標操舵アシストトルクが大きくなるように、前記操舵トルクと前記目標操舵アシストトルクとの関係が設定されていることにある。
本発明の電動パワーステアリング装置においては、ステアリング機構に永久磁石同期モータ（以下、単にモータと呼ぶ）が設けられており、モータ制御手段が、このモータを駆動制御することにより操舵アシストトルクを発生させる。モータ制御手段は、目標操舵アシストトルク設定手段により設定された目標操舵アシストトルクをモータで発生するように、回転角センサにより検出された電気角を用いてモータを駆動制御する。目標操舵アシストトルク設定手段は、アシスト特性を記憶し、このアシスト特性に基づいて、操舵トルクセンサにより検出された操舵トルクが大きくなるにしたがって大きくなる目標操舵アシストトルクを設定する。
モータ制御手段は、例えば、モータの永久磁石の磁界が貫く方向となるｄ軸と、ｄ軸に直交する方向（ｄ軸からπ／２だけ電気角を進めた方向）となるｑ軸とを定めたｄ−ｑ座標を用いた電流ベクトル制御によりモータを駆動制御する。
回転角センサが故障した場合には、こうした電流ベクトル制御を行うことができない。そこで、本発明の電動パワーステアリング装置は、モータの回転方向を推定する回転方向推定手段と、回転角センサの異常を検出するためのセンサ異常検出手段と、センサ異常検出手段により回転角センサの異常が検出されているときモータの推定電気角を算出する電気角推定手段を備えている。電気角推定手段は、モータで発生する誘起電圧とモータの回転方向とに基づいてモータの推定電気角を算出する。例えば、電気角推定手段は、モータで発生する誘起電圧に基づいて電気角加算量を算出し、回転方向推定手段により推定されたモータの回転方向に電気角加算量だけ電気角を進めるようにしてモータの推定電気角を算出する。この場合、所定時間毎に誘起電圧を算出してこの誘起電圧からモータの推定角速度を求め、この推定角速度でモータが所定時間当たりに回転する量を電気角加算量として計算し、所定時間前の推定電気角に電気角加算量をモータ回転方向に加算することで推定電気角を算出するとよい。モータ制御手段は、回転角センサの異常が検出されているときには電気角推定手段により算出された推定電気角を用いてモータを駆動制御する。つまり、センサレス制御を行う。
回転方向推定手段がモータの回転方向を誤って推定、つまり、モータの回転方向を実際の回転方向とは反対方向に推定すると、電気角推定手段は、推定電気角をモータの回転方向とは反対方向に進めて計算してしまう。この結果、モータが脱調する。
モータ制御手段は、モータで操舵アシストトルクを効率良く発生するように、推定電気角に基づいて電流ベクトル制御を行う。つまり、電流ベクトルの向きが回転子に対して一定方向に向くように（例えば、ｄ−ｑ座標におけるｑ軸方向に向くように）、推定電気角に合わせてモータコイルで発生する磁界を回転させる。従って、モータが同期しているときには、モータトルクはモータ電流に応じた一定の大きさに維持されるが、モータが脱調しているときには、電流ベクトルの向きを回転子に追従させることができなくなり、モータトルクは大きく変動する。このため、平均的なモータトルクが低下してハンドル操作が重くなるとともに、モータトルクの周期的な変動が発生し、そのトルク変動が操舵ハンドルの振動として現れる。これにより、運転者に対して大きな違和感を与えてしまう。
そこで本発明においては、アシスト特性を、回転角センサの異常が検出されているとき（センサレス制御時）と、回転角センサの異常が検出されていないときとで切り替えるようにして操舵操作の違和感を低減する。目標操舵アシストトルク設定手段は、回転角センサの異常が検出されているときに使用する異常時アシスト特性と、回転角センサの異常が検出されていないときに使用する正常時アシスト特性とを記憶している。アシスト特性は、操舵トルクと目標操舵アシストトルクとの関係を設定したデータであって、操舵トルクから目標操舵アシストトルクを導き出せるものであればよく、マップや計算式を用いることができる。
異常時アシスト特性は、操舵トルクが予め設定された低トルク域に入る場合には正常時アシスト特性に比べて目標操舵アシストトルクが小さく、操舵トルクが増加して低トルク域を越えた場合には正常時アシスト特性に比べて目標操舵アシストトルクが大きくなるように、操舵トルクと目標操舵アシストトルクとの関係が設定されている。従って、センサレス制御時においては、センサレス制御を行わない正常時に比べて、通常の操舵操作においてハンドル操作が重くなる。モータが脱調すると、目標操舵アシストトルクをモータで発生できなくなり、運転者が操舵ハンドルを操作する操舵力が増加し操舵トルクが増加する。この場合、操舵トルクが低トルク域を超えると、正常時アシスト特性に比べて大きな目標操舵アシストトルクが設定される。これにより、目標操舵アシストトルクが急激に増加し、モータ電流も増加する。
モータが脱調しているときには、電流ベクトルの方向が回転子に対して相対的に変化していくため、モータは、操舵操作をアシストする方向の力と、その逆方向である逆アシスト方向の力とを交互に発生するようになる。モータが逆アシスト方向の力を発生するように電流ベクトルが向く範囲を逆アシスト領域と呼び、モータがアシスト方向の力を発生するように電流ベクトルが向く範囲を正アシスト領域と呼ぶ。モータが脱調すると、操舵トルクが増加して目標操舵アシストトルクが増加し、モータに流れる電流が増加するため、このとき、電流ベクトルが正アシスト領域に入っている場合には、モータトルクの向きとモータにかかる負荷の向きが異なるため、電流ベクトルが回転子に対して相対的に進む速度が遅くなり、逆に、電流ベクトルが逆アシスト領域に入っている場合には、モータトルクの向きとモータにかかる負荷の向きが同じであるため、電流ベクトルが回転子に対して相対的に進む速度が速くなる。
本発明においては、センサレス制御を行うときには、異常時アシスト特性を使って目標操舵アシストトルクを設定するため、モータの脱調時においては、正常時アシスト特性を使う場合に比べて大きなモータ電流を流すことができ、電流ベクトルが正アシスト領域に入っている期間に比べて、電流ベクトルが逆アシスト領域に入っている期間を一層短くすることができる。このため、正常時アシスト特性を使う場合に比べて、モータトルク変動幅が少なくなる。これにより、ハンドル操作に必要となる操作力の振幅が小さくなり、運転者が感じる操舵ハンドルの振動を低減することができる。また、モータ電流が大きくなるため、逆アシスト領域の電流ベクトルに対する回転子の相対速度が速くなり、振動の周波数が高くなる。このため、操舵ハンドルの振動による違和感が低減される。また、モータが脱調した場合には、ハンドル操作が重くなるが、モータが脱調していない場合においても、異常時アシスト特性によりハンドル操作が重くなるように設定してあるため、脱調時とそうでない時とにおける操舵操作力の変動幅を少なくすることができ、モータが脱調したときの違和感を低減することができる。
尚、本発明における低トルク域とは、モータが脱調していないときの通常の操舵操作時に検出される操舵トルクの範囲に設定されるもので、特に、操舵ハンドルを保舵しているときに検出される操舵トルクが含まれる範囲に設定されるとよい。また、アシスト特性には、目標操舵アシストトルクがゼロに設定される操舵トルクの不感帯が設定されるが、低トルク域は、この不感帯を除く範囲である。不感帯においては、異常時アシスト特性であっても正常時アシスト特性であっても、どちらも目標操舵アシストトルクが同じゼロに設定され、目標操舵アシストトルクの大きさに差を付けることができないからである。また、本発明においては、トルクの大きさについて論じるが、その場合には、トルクの方向を区別するものではない。
本発明の他の特徴は、前記異常時アシスト特性および前記正常時アシスト特性は、前記目標操舵アシストトルクをゼロに設定する前記操舵トルクの不感帯が設けられており、前記異常時アシスト特性における不感帯は、前記正常時アシスト特性における不感帯よりも広いことにある。
本発明においては、センサレス制御を行う時には、正常時に比べて不感帯が広く設定されるため、ハンドル操作を確実に重くすることができる。従って、モータの脱調時とそうでない時とにおける操舵操作力の変動幅を少なくすることができ、モータが脱調したときの違和感を低減することができる。
本発明の他の特徴は、前記異常時アシスト特性は、前記操舵トルクの増加に対して前記目標操舵アシストトルクの増加する増加率が、前記操舵トルクが前記低トルク域に入っているときよりも前記低トルク域を超えているときのほうが大きくなるように、前記操舵トルクと前記目標操舵アシストトルクとの関係が設定されていることにある。
この場合、前記異常時アシスト特性および前記正常時アシスト特性は、前記操舵トルクが予め設定された上限制限開始トルク以上になると前記目標操舵アシストトルクが上限値制限されるように、前記操舵トルクと前記目標操舵アシストトルクとの関係が設定されており、前記異常時アシスト特性における上限制限開始トルクは、前記正常時アシスト特性における上限制限開始トルクよりも小さいとよい。
モータが脱調した場合、目標操舵アシストトルクをモータで発生できなくなり操舵トルクが増加して低トルク域を超えるが、本発明においては、異常時アシスト特性が正常時アシスト特性に比べて目標操舵アシストトルクが急激に増加するように設定されている。また、目標操舵アシストトルクが上限値にまで早く到達するように設定されている。このため、モータが脱調したときには、モータ電流を素早く増加させることができる。これにより、モータが脱調したときに、確実に、操舵ハンドルの振動を低減し、この振動により運転者に与える違和感を低減することができる。
本発明の他の特徴は、前記回転方向推定手段は、前記操舵トルクセンサで検出された操舵トルクの方向に基づいて、前記永久磁石同期モータの回転方向を推定することにある。
本発明においては、操舵トルクで検出された操舵トルクの方向に基づいてモータの回転方向を推定するため、モータ回転方向を検出する特別なセンサを設ける必要が無く、低コストにてセンサレス制御を行うことができる。こうした構成においては、操舵ハンドルの戻し操作を行うときや、路面からの外部入力の変動によりアシストトルクが不足して操舵ハンドルが戻された場合には、モータの回転方向の推定を誤ることがあり、その場合には、モータが脱調しやすいが、本発明では、センサレス制御を行うときには、異常時アシスト特性を用いて目標操舵アシストトルクを設定するため、操舵ハンドルの振動を低減し、この振動により運転者に与える違和感を低減することができる。
本発明の他の特徴は、前記目標操舵アシストトルク設定手段は、前記回転角センサの異常が検出されていないときの前記操舵トルクと前記目標操舵アシストトルクとを関係付けた正常時アシストマップと、前記正常時アシストマップに基づいて前記回転角センサの異常が検出されているときの前記操舵トルクから前記目標操舵アシストトルクを取得するために必要な計算式とにより、前記正常時アシスト特性と前記異常時アシスト特性とを記憶することにある。
本発明においては、目標操舵アシストトルク設定手段が、正常時アシストマップと、正常時アシストマップに基づいて回転角センサの異常が検出されているときの操舵トルクから目標操舵アシストトルクを取得するために必要な計算式とを記憶している。回転角センサの異常が検出されていないときには、正常時アシストマップを使って目標操舵アシストトルクを設定する。また、回転角センサの異常が検出されているときには、正常時アシストマップと計算式とを使って目標操舵アシストトルクを設定する。従って、回転角センサの正常時用と異常時用とで独立したアシストマップを記憶しておく必要がないため、記憶容量を削減することができる。
本発明の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の概略構成図である。 アシストＥＣＵのマイクロコンピュータの処理を表す機能ブロック図である。 電気角推定部の処理を表す機能ブロック図である。 ｄ−ｑ座標、γ―δ座標を説明する説明図である。 アシストマップを表すグラフである。 アシストマップを表すグラフである。 アシストマップを表すグラフである。 誘起電圧の計算に用いるモータの回路図である。 不感帯処理マップを表すグラフである。 推定電気角が固着された状態を表す説明図である。 電流ベクトルをｑ軸方向に向けたときの力の関係を表した説明図である。 電流ベクトルの方向に対するアシストトルク特性を表すグラフである。 電気角補正量の算出メカニズムを説明するグラフである。 ｄ−ｑ座標におけるδ軸の設定角度領域を表すグラフである。 角度θ１を説明する説明図である。 角度θ３を説明する説明図である。 検出値ｅγ／ｅと電気角誤差Δθｅとの関係を表すグラフである。 電気角補正量算出マップを表すグラフである。 電流ベクトルの方向に対するアシストトルク特性を表すグラフである。 脱調により電流ベクトルの方向が変化する様子を表す説明図である。 モータ脱調時における各検出値の波形を表すグラフである。 変形例としてのアシストマップを表すグラフである。 変形例としてのアシストマップを表すグラフである。
以下、本発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置について図面を用いて説明する。図１は、同実施形態に係る車両の電動パワーステアリング装置の概略構成を表している。
この電動パワーステアリング装置は、操舵ハンドル１１の操舵操作により転舵輪を転舵するステアリング機構１０と、ステアリング機構１０に組み付けられ操舵アシストトルクを発生するモータ２０と、モータ２０を駆動するためのモータ駆動回路３０と、モータ２０の作動を制御する電子制御装置１００とを主要部として備えている。以下、電子制御装置１００をアシストＥＣＵ１００と呼ぶ。
ステアリング機構１０は、操舵ハンドル１１の回転操作により左右前輪ＦＷＬ，ＦＷＲを転舵するための機構で、操舵ハンドル１１を上端に一体回転するように接続したステアリングシャフト１２を備える。このステアリングシャフト１２の下端には、ピニオンギヤ１３が一体回転するように接続されている。ピニオンギヤ１３は、ラックバー１４に形成されたラック歯と噛み合って、ラックバー１４とともにラックアンドピニオン機構を構成する。ラックバー１４の両端には、タイロッド１５Ｌ，１５Ｒを介して左右前輪ＦＷＬ，ＦＷＲのナックル（図示略）が操舵可能に接続されている。左右前輪ＦＷＬ，ＦＷＲは、ステアリングシャフト１２の軸線回りの回転に伴うラックバー１４の軸線方向の変位に応じて左右に操舵される。
ラックバー１４には、電動モータ２０が組み付けられている。電動モータ２０は、本発明の永久磁石同期モータに相当するものであり、本実施形態においては、その代表例である３相ブラシレスＤＣモータが用いられる。電動モータ２０（以下、単にモータ２０と呼ぶ）の回転軸は、ボールねじ機構１６を介してラックバー１４に動力伝達可能に接続されていて、その回転により左右前輪ＦＷＬ，ＦＷＲに転舵力を付与して操舵操作をアシストする。ボールねじ機構１６は、減速機および回転−直線変換器として機能するもので、モータ２０の回転を減速するとともに直線運動に変換してラックバー１４に伝達する。
ステアリングシャフト１２には、操舵トルクセンサ２１が設けられる。操舵トルクセンサ２１は、例えば、ステアリングシャフト１２の中間部に介装されたトーションバー（図示略）の捩れ角度をレゾルバ等により検出し、この捩れ角に基づいてステアリングシャフト１２に働いた操舵トルクＴｒを検出する。操舵トルクＴｒは、正負の値により操舵ハンドル１１の操作方向が識別される。本実施形態においては、操舵ハンドル１１の右方向への操舵時における操舵トルクＴｒを正の値で、操舵ハンドル１１の左方向への操舵時における操舵トルクＴｒを負の値で示す。尚、本実施形態においては、トーションバーの捩れ角度をレゾルバにより検出するが、エンコーダ等の他の回転角センサにより検出することもできる。
モータ２０には、回転角センサ２２が設けられる。この回転角センサ２２は、モータ２０内に組み込まれ、モータ２０の回転子の回転角度位置に応じた検出信号を出力するもので、例えば、レゾルバにより構成される。回転角センサ２２は、モータ２０の回転角θｍを表す検出信号をアシストＥＣＵ１００に出力する。アシストＥＣＵ１００は、この回転角θｍからモータ２０の電気角θｅを検出する。尚、モータ２０の電気角θｅは、回転角センサ２２により検出された電気角と、後述する推定により求めた電気角との２種類あるため、両者を区別する必要がある場合には、回転角センサ２２により検出された電気角を実電気角θｅａと呼び、推定により求めた電気角を推定電気角θｅｂと呼ぶ。また、本実施形態においては、回転角センサ２２としてレゾルバを使用しているが、エンコーダ等の他の回転角センサを用いることもできる。
モータ駆動回路３０は、ＭＯＳ−ＦＥＴ（Ｍetal Ｏxide Ｓemiconductor Ｆield Ｅffect Ｔransistor）からなる６個のスイッチング素子３１〜３６により３相インバータ回路を構成したものである。具体的には、第１スイッチング素子３１と第２スイッチング素子３２とを直列接続した回路と、第３スイッチング素子３３と第４スイッチング素子３４とを直列接続した回路と、第５スイッチング素子３５と第６スイッチング素子３６とを直列接続した回路とを並列接続し、各直列回路における２つのスイッチング素子間（３１−３２，３３−３４，３５−３６）からモータ２０への電力供給ライン３７を引き出した構成を採用している。
モータ駆動回路３０には、モータ２０に流れる電流を検出する電流センサ３８が設けられる。この電流センサ３８は、各相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）ごとに流れる電流をそれぞれ検出し、その検出した電流値Ｉu，Ｉv，Ｉwに対応した検出信号をアシストＥＣＵ１００に出力する。以下、この測定された３相の電流値をモータ電流Ｉuvwと総称する。また、モータ駆動回路３０には、モータ２０の端子電圧を検出する電圧センサ３９が設けられる。電圧センサ３９は、各相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の端子電圧をそれぞれ検出し、その検出した電圧値Ｖu,Ｖv，Ｖwに対応した検出信号をアシストＥＣＵ１００に出力する。以下、この測定された３相の端子電圧をモータ端子電圧Ｖuvwと総称する。
モータ駆動回路３０の各スイッチング素子３１〜３６は、それぞれゲートがアシストＥＣＵ１００に接続され、アシストＥＣＵ１００から出力されるＰＷＭ制御信号によりデューティ比が制御される。これによりモータ２０の駆動電圧が目標電圧に調整される。
アシストＥＣＵ１００は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等からなるマイクロコンピュータを主要部として構成される。アシストＥＣＵ１００は、操舵トルクセンサ２１、回転角センサ２２、電流センサ３８、電圧センサ３９、および、車速を検出する車速センサ２５を接続し、操舵トルクＴｒ、回転角θｍ、モータ電流Ｉu，Ｉv，Ｉw、モータ端子電圧Ｖu,Ｖv，Ｖw、車速ｖを表す検出信号を入力する。そして、入力した検出信号に基づいて、運転者の操舵操作に応じた最適な操舵アシストトルク（以下、単にアシストトルクと呼ぶ）が得られるようにモータ２０に流す指令電流を演算し、その指令電流が流れるようにモータ駆動回路３０の各スイッチング素子３１〜３６のデューティ比を制御する。
次に、電動パワーステアリング装置の電源供給系統について説明する。電動パワーステアリング装置は、車載電源装置８０から電源供給される。車載電源装置８０は、定格出力電圧１２Ｖの一般的な車載バッテリである主バッテリ８１と、エンジンの回転により発電する定格出力電圧１４Ｖのオルタネータ８２とを並列接続して構成される。車載電源装置８０には、電源供給元ライン８３と接地ライン８４が接続される。電源供給元ライン８３は、制御系電源ライン８５と駆動系電源ライン８６とに分岐する。制御系電源ライン８５は、アシストＥＣＵ１００に電源供給するための電源ラインとして機能する。駆動系電源ライン８６は、モータ駆動回路３０とアシストＥＣＵ１００との両方に電源供給する電源ラインとして機能する。
制御系電源ライン８５には、イグニッションスイッチ８７が接続される。駆動系電源ライン８６には、主電源リレー８８が接続される。この主電源リレー８８は、アシストＥＣＵ１００からの制御信号によりオンしてモータ２０への電力供給回路を形成するものである。制御系電源ライン８５は、アシストＥＣＵ１００の電源＋端子に接続されるが、その途中で、イグニッションスイッチ８７よりも負荷側（アシストＥＣＵ１００側）においてダイオード８９を備えている。このダイオード８９は、カソードをアシストＥＣＵ１００側、アノードを車載電源装置８０側に向けて設けられ、電源供給方向にのみ通電可能とする逆流防止素子である。
駆動系電源ライン８６には、主電源リレー８８よりも負荷側において制御系電源ライン８５と接続する連結ライン９０が分岐して設けられる。この連結ライン９０は、制御系電源ライン８５におけるダイオード８９の接続位置よりもアシストＥＣＵ１００側に接続される。また、連結ライン９０には、ダイオード９１が接続される。このダイオード９１は、カソードを制御系電源ライン８５側に向け、アノードを駆動系電源ライン８６側に向けて設けられる。従って、連結ライン９０を介して駆動系電源ライン８６から制御系電源ライン８５には電源供給できるが、制御系電源ライン８５から駆動系電源ライン８６には電源供給できないような回路構成となっている。駆動系電源ライン８６および接地ライン８４は、モータ駆動回路３０の電源入力部に接続される。また、接地ライン８４は、アシストＥＣＵ１００の接地端子にも接続される。
次に、アシストＥＣＵ１００が行うモータ２０の制御について説明する。アシストＥＣＵ１００は、図４に示すように、モータ２０の回転子に設けられた永久磁石の磁界が貫く方向にｄ軸、ｄ軸に直交する方向（ｄ軸に対して電気角がπ／２だけ進んだ方向）にｑ軸を定めたｄ−ｑ座標を用いた電流ベクトル制御によってモータ２０の回転を制御する。電気角θｅは、Ｕ相コイルを貫く軸とｄ軸との回転角となる。電流ベクトルのｄ軸成分をｄ軸電流と呼び、ｑ軸成分をｑ軸電流と呼ぶ。ｑ軸電流は、ｑ軸方向に磁界が発生するように作用する。従って、ｑ軸電流は、モータトルクを発生させる。一方、ｄ軸電流は、ｄ軸方向に磁界を発生させるため、モータトルクを発生できず、弱め界磁制御に使用される。アシストＥＣＵ１００は、最大のモータトルク効率を得るために、電流ベクトルがｑ軸上を移動するように電流位相を制御する（ｄ軸電流をゼロ）。
アシストＥＣＵ１００は、こうした電流ベクトル制御を行うにあたって、電気角θｅを検出することによりｄ−ｑ座標を定める。この電気角θｅは、回転角センサ２２により検出される回転角信号から求められるが、回転角センサ２２が故障した場合には、電気角θｅを求めることができない。そこで、アシストＥＣＵ１００は、回転角センサ２２が故障した場合には、後述する処理により推定電気角θｅｂを算出し、その推定電気角θｅｂを使って電流ベクトル制御を行う。この場合、ｄ軸を推定した制御上の軸をγ軸と呼び、ｑ軸を推定した制御上の軸をδ軸と呼ぶ。また、推定電気角θｅｂを使って行うモータ制御をセンサレス制御と呼ぶ。
次に、アシストＥＣＵ１００の機能について図２を用いて説明する。図２は、アシストＥＣＵ１００のマイクロコンピュータのプログラム制御により処理される機能を表す機能ブロック図である。アシストＥＣＵ１００は、アシストトルク設定部１０１を備えている。アシストトルク設定部１０１は、図５（ａ）に示す正常時アシストマップと、図５（ｂ）に示す異常時アシストマップとを記憶している。各アシストマップは、代表的な複数の車速ｖごとに、操舵トルクＴｒと目標アシストトルクＴ＊との関係を設定した関係付けデータである。アシストトルク設定部１０１は、車速センサ２５により検出される車速ｖと、操舵トルクセンサ２１により検出される操舵トルクＴｒを入力し、正常時アシストマップまたは異常時アシストマップを参照して、車速ｖと操舵トルクＴｒとから目標アシストトルクＴ＊を算出する。尚、図５は、右方向の操舵時におけるアシストマップであって、左方向の操舵時におけるアシストマップは、右方向のものに対して操舵トルクＴｒと目標アシストトルクＴ＊の符号をそれぞれ反対（つまり負）にしたものとなる。尚、本明細書においては、トルクの大きさを論じる場合には、その方向を区別せずに、絶対値を使うものとする。
アシストトルク設定部１０１は、後述するセンサ異常検出部１３１の出力するセンサ異常判定信号Ｆを入力し、センサ異常判定信号Ｆが「０」である場合には、正常時アシストマップを選択し、センサ異常判定信号Ｆが「１」である場合には、異常時アシストマップを選択する。そして、選択したアシストマップを使用して目標アシストトルクＴ＊を算出する。各アシストマップにおいては、目標アシストトルクＴ＊は、操舵トルクＴｒの増加にしたがって増加するとともに車速ｖの増加にしたがって減少するように設定されている。
図６は、正常時アシストマップと異常時アシストマップとの特性を比較するために、両方を重ねた特性図である。また、図７は、特定の車速ｖにおける（この例では高速時）正常時アシストマップと異常時アシストマップとを重ねた特性図で、後述する各トルク値および領域を記入したものである。図６，図７中において、実線が異常時アシストマップであり、破線が正常時アシストマップである。各アシストマップには目標アシストトルクＴ＊がゼロに設定される操舵トルクＴｒの不感帯が設定される。正常時アシストマップにおける不感帯を正常時不感帯Ｘ０１と呼び、異常時アシストマップにおける不感帯を異常時不感帯Ｘ１１と呼び、これらを総称する場合には不感帯Ｘ１と呼ぶ。全車速ｖにおいて、異常時不感帯Ｘ１１は、正常時不感帯Ｘ０１に比べて広く設定されている。不感帯Ｘ１が終了する操舵トルクＴｒを不感帯終了トルクＴｒ１と呼び、特に、正常時アシストマップにおける不感帯終了トルクを不感帯終了トルクＴｒ０１と呼び、異常時アシストマップにおける不感帯終了トルクを不感帯終了トルクＴｒ１１と呼ぶ。
また、各アシストマップにおいては、目標アシストトルクＴ＊の上限値制限が設定される。正常時アシストマップにおける目標アシストトルクＴ＊の上限値Ｔ０maxは、車速ｖに応じて異なるように、つまり、車速ｖが高いほど小さな値に設定されている。一方、異常時アシストマップにおける目標アシストトルクＴ＊の上限値Ｔ１maxは、車速ｖに関係なく一定値に設定されている。以下、正常時アシストマップにおいて目標アシストトルクＴ＊が上限値Ｔ０maxに制限される操舵トルクＴｒの範囲を上限制限トルク域Ｘ０２と呼び、異常時アシストマップにおいて目標アシストトルクＴ＊が上限値Ｔ１maxに制限される操舵トルクＴｒの範囲を上限制限トルク域Ｘ１２と呼び、これらを総称する場合には上限制限トルク域Ｘ２と呼ぶ。操舵トルクＴｒが増加すると上限制限トルク域Ｘ２に到達するが、その上限制限トルク域Ｘ２に到達する時点における操舵トルクＴｒの大きさは、正常時アシストマップと異常時アシストマップとでは異なるように設定されている。正常時アシストマップにおける上限制限トルク域Ｘ０２の開始点となる操舵トルクＴｒを上限制限開始トルクＴｒ０２と呼び、異常時アシストマップにおける上限制限トルク域Ｘ１２の開始点となる操舵トルクＴｒを上限制限開始トルクＴｒ１２と呼び、それらを総称する場合には上限制限開始トルクＴｒ２と呼ぶ。上限制限開始トルクＴｒ１２は、上限制限開始トルクＴｒ０２よりも小さな値に設定されている。また、上限制限開始トルクＴｒ１２は、車速ｖに関係なく一定値に設定されている。
不感帯Ｘ１と上限制限トルク域Ｘ２との間の領域が、操舵トルクＴｒに応じて目標アシストトルクＴ＊が変化する（操舵トルクＴＲが大きくなるにしたがって目標アシストトルクＴ＊が大きくなる）変化域Ｘ３となる。この変化域Ｘ３においては、全車速ｖにおいて、操舵トルクＴｒの増加にともなって、その途中で、正常時アシストマップにおける目標アシストトルクＴ＊と異常時アシストマップにおける目標アシストトルクＴ＊との大小関係が切り替わる。つまり、設定トルクＴｒｓを境にして、操舵トルクＴｒが設定トルクＴｒｓよりも小さいときには、正常時アシストマップにおける目標アシストトルクＴ＊に比べて異常時アシストマップにおける目標アシストトルクＴ＊が小さく、操舵トルクＴｒが設定トルクＴｒｓよりも大きいときには、正常時アシストマップにおける目標アシストトルクＴ＊に比べて異常時アシストマップにおける目標アシストトルクＴ＊が大きく設定される。
この変化域Ｘ３において操舵トルクＴｒが設定トルクＴｒｓより小さくなる範囲が、本発明の低トルク域に相当する。以下、正常時アシストマップにおける変化域Ｘ３を変化域Ｘ０３と呼び、異常時アシストマップにおける変化域Ｘ３を変化域Ｘ１３と呼ぶ。また、正常時アシストマップにおける変化域Ｘ０３において、操舵トルクＴｒが設定トルクＴｒｓより小さくなる範囲を低トルク域Ｘ０３Ｌと呼び、操舵トルクＴｒが設定トルクＴｒｓより大きくなる範囲を高トルク域Ｘ０３Ｈと呼ぶ。同様に、異常時アシストマップにおける変化域Ｘ１３において、操舵トルクＴｒが設定トルクＴｒｓより小さくなる範囲を低トルク域Ｘ１３Ｌと呼び、操舵トルクＴｒが設定トルクＴｒｓより大きくなる範囲を高トルク域Ｘ１３Ｈと呼ぶ。また、低トルク域Ｘ０３Ｌと低トルク域Ｘ１３Ｌと総称する場合には低トルク域Ｘ３Ｌと呼び、また、高トルク域Ｘ０３Ｈと高トルク域Ｘ１３Ｈとを総称する場合には高トルク域Ｘ３Ｈと呼ぶ。
操舵トルクＴｒの増加に対して目標アシストトルクＴ＊の増加する増加率を増加率ｒとすると、異常時アシストマップの変化域Ｘ１３における増加率ｒは、正常時アシストマップの変化域Ｘ０３における増加率ｒよりも大きく設定される。特に、高トルク域Ｘ３Ｈにおいては、異常時アシストマップにおける増加率ｒが、正常時アシストマップにおける増加率ｒよりも大きく設定される。また、異常時アシストマップにおいては、低トルク域Ｘ１３Ｌにおける増加率ｒに比べて、高トルク域Ｘ１３Ｈの増加率ｒの方が大きく設定されている。従って、異常時アシストマップにおいては、正常時アシストマップに比べて、操舵トルクＴｒが設定トルクＴｒｓを越えると急激に増加するように設定されている。
尚、増加率ｒは、アシストマップの特性ラインの微小部分を捉えた傾き（ΔＴ＊／ΔＴｒ）として表されるものである。また、低トルク域Ｘ３Ｌ、高トルク域Ｘ３Ｈにおける増加率ｒの比較は、その領域における平均的な増加率ｒにて行えばよい。
アシストトルク設定部１０１は、このような特性の正常時アシストマップおよび異常時アシストマップを記憶し、センサ異常判定信号Ｆに応じてその一方を選択し、目標アシストトルクＴ＊を算出する。このアシストマップを選択する理由は、モータ２０が脱調したときに発生する操舵ハンドル１１の振動を低減するためである。これについては、後述する。
アシストトルク設定部１０１は、目標アシストトルクＴ＊をアシスト電流指令部１０２に出力する。アシスト電流指令部１０２は、目標アシストトルクＴ＊をトルク定数で除算することにより、ｄ−ｑ座標におけるｑ軸指令電流Ｉｑ＊を算出する。また、アシスト電流指令部１０２は、ｄ軸指令電流Ｉｄ＊をゼロ（Ｉｄ＊＝０）に設定する。
このように計算されたｑ軸指令電流Ｉｑ＊とｄ軸指令電流Ｉｄ＊は、フィードバック制御部１０３に出力される。フィードバック制御部１０３は、ｑ軸指令電流Ｉｑ＊からｑ軸実電流Ｉｑを減算した偏差ΔＩｑを算出し、この偏差ΔＩｑを使った比例積分制御によりｑ軸実電流Ｉｑがｑ軸指令電流Ｉｑ＊に追従するようにｑ軸指令電圧Ｖｑ＊を計算する。同様に、ｄ軸指令電流Ｉｄ＊からｄ軸実電流Ｉｄを減算した偏差ΔＩｄを算出し、この偏差ΔＩｄを使った比例積分制御によりｄ軸実電流Ｉｄがｄ軸指令電流Ｉｄ＊に追従するようにｄ軸指令電圧Ｖｄ＊を計算する。
ｑ軸実電流Ｉｑおよびｄ軸実電流Ｉｄは、モータ２０のコイルに実際に流れた３相電流の検出値Ｉu，Ｉv，Ｉwをｄ−ｑ座標の２相電流に変換したものである。この３相電流Ｉu，Ｉv，Ｉwからｄ−ｑ座標の２相電流Ｉｄ，Ｉｑへの変換は、３相／２相座標変換部１０４によって行われる。３相／２相座標変換部１０４は、電気角選択部１３２から出力される電気角θｅを入力し、その電気角θｅに基づいて、電流センサ３８により検出した３相電流Ｉu，Ｉv，Ｉwをｄ−ｑ座標の２相電流Ｉｄ，Ｉｑに変換する。
３相座標からｄ−ｑ座標に変換する変換行列Ｃは次式（１）にて表される。
Figure 0005257374
尚、電気角選択部１３２は、後述するが、回転角センサ２２の異常が検出されていないときは、モータ２０の実電気角θｅａを電気角θｅとして出力し、回転角センサ２２の異常が検出されているときは、モータ２０の推定電気角θｅｂを電気角θｅとして出力する。
フィードバック制御部１０３により算出されたｑ軸指令電圧Ｖｑ＊とｄ軸指令電圧Ｖｄ＊は、２相／３相座標変換部１０５に出力される。２相／３相座標変換部１０５は、電気角選択部１３２から出力される電気角θｅに基づいて、ｑ軸指令電圧Ｖｑ＊とｄ軸指令電圧Ｖｄ＊を３相指令電圧Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に変換して、その変換した３相指令電圧Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊をＰＷＭ信号発生部１０６に出力する。ＰＷＭ信号発生部１０６は、３相指令電圧Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に対応したＰＷＭ制御信号をモータ駆動回路３０のスイッチング素子３１〜３６に出力する。これによりモータ２０が駆動され、目標アシストトルクＴ＊に追従したアシストトルクがステアリング機構１０に付与される。
回転角センサ２２から出力される回転検出信号は、実電気角変換部１３０とセンサ異常検出部１３１とに出力される。実電気角変換部１３０は、回転角センサ２２により出力される回転検出信号からモータ２０の実電気角θｅａを算出し、算出した実電気角θｅａを電気角選択部１３２に出力する。本発明における回転角センサは、この回転角センサ２２と実電気角変換部１３０とから構成される。センサ異常検出部１３１は、回転角センサ２２から出力される回転検出信号に基づいて、回転角センサ２２の異常を検出する。回転角センサ２２としてレゾルバを採用した場合には、レゾルバ内の検出用コイルや励磁用コイルが断線したり絶縁不良を起こしたりすることが考えられる。そこで、センサ異常検出部１３１は、検出用コイルの出力信号の振幅を監視し、その振幅が予め設定した許容範囲から外れた場合には、センサ異常と判定する。また、検出用コイルは、出力信号がπ／２だけ位相がずれるように一対設けられるため、２つの出力信号を比較して異常を検出することもできる。例えば、一方の検出用コイルから正弦波信号が出力されているときに、他方の検出用コイルから一定値信号が出力されているときなど、２つの出力信号の組み合わせが矛盾するケースにおいても異常であると判定することができる。センサ異常検出部１３１は、このようにして回転角センサ２２の異常の有無を判定し、異常の有無を表すセンサ異常判定信号Ｆを出力する。センサ異常検出部１３１は、例えば、異常有りと判定した場合には、センサ異常判定信号Ｆを「１」に設定し、異常無しと判定した場合にはセンサ異常判定信号Ｆを「０」に設定する。
回転角センサ２２に異常が発生した場合には、電気角を検出できなくなるため、電流ベクトル制御にてモータ２０を駆動できなくなる。そこで、アシストＥＣＵ１００には、回転角センサ２２の異常時においてもモータ２０の回転制御を継続できるように、電気角を推定する電気角推定部１１０を備えている。電気角推定部１１０は、センサ異常判定信号（Ｆ＝１）を入力すると作動を開始するもので、プログラム制御により実施される機能に着目すると、図３に示すように、誘起電圧演算部１１１と、不感帯処理部１１２と、推定角速度演算部１１３と、電気角加算量演算部１１４と、回転方向推定部１１５と、推定電気角演算部１１６と、電気角誤差検出部１１７と、電気角補正量演算部１１８とから構成される。
誘起電圧演算部１１１は、電圧センサ３９から出力されるモータ端子電圧Ｖu，Ｖv，Ｖwを表す検出信号と、電流センサ３８から出力されるモータ電流Ｉu，Ｉv，Ｉwを表す検出信号とを入力し、モータ２０で発生する誘起電圧ｅ’を以下のように計算する。
図８に示すように、モータ２０のＵ相の誘起電圧をｅu、Ｖ相の誘起電圧をｅv、Ｗ相の誘起電圧をｅwとすると、誘起電圧ｅu，ｅv，ｅwは次式（２），（３），（４）にて求められる。
ｅu＝Ｖu−Ｉu・Ｒ−Ｖm ・・・（２）
ｅv＝Ｖv−Ｉv・Ｒ−Ｖm ・・・（３）
ｅw＝Ｖw−Ｉw・Ｒ−Ｖm ・・・（４）
ここで、Ｖmは中点電圧、Ｒは各相のコイルの巻線抵抗である。中点電圧Ｖmは、Ｖm＝（Ｖu＋Ｖv＋Ｖw）／３として計算すればよい。
この場合、正確には、各相のコイルのインダクタンスＬによる電圧分（Ｌ・ｄＩ／ｄｔ）を加えるべきであるが、誘起電圧の計算においてはインダクタンスＬによる影響が非常に小さいため、本実施形態においてはそれをゼロとみなしている。尚、インダクタンスＬによる電圧分（Ｌ・ｄＩ／ｄｔ）を加味して計算するようにしてもよい。
モータ２０の誘起電圧ｅ’は、次式（５）により、３相の誘起電圧ｅu，ｅv，ｅwを２相のｄ−ｑ座標系における誘起電圧ｅｄ，ｅｑに変換した後に、次式（６）により求められる。
Figure 0005257374
Figure 0005257374
 誘起電圧演算部１１１は、誘起電圧ｅ’の演算結果を不感帯処理部１１２に出力する。以下、誘起電圧演算部１１１により演算された誘起電圧ｅ’を演算誘起電圧ｅ’と呼ぶ。尚、式（５）における電気角θｅは、現時点において推定されている電気角となる。つまり、後述するように所定の短い周期で繰り返し計算される推定電気角θｅｂの最新値が使用される。
不感帯処理部１１２は、操舵トルクセンサ２１により検出される操舵トルクＴｒと、誘起電圧演算部１１１により演算された演算誘起電圧ｅ’を入力する。不感帯処理部１１２は、操舵トルクＴｒの大きさ｜Ｔｒ｜が予め設定された基準トルクＴｒ０より大きい場合に、演算誘起電圧ｅ’に対して不感帯処理を行い、操舵トルクＴｒの大きさ｜Ｔｒ｜が基準トルクＴｒ０以下の場合には、演算誘起電圧ｅ’に対して不感帯処理を行わないように構成されている。不感帯処理部１１２は、図９に示すような不感帯処理マップを記憶している。この不感帯処理マップにおいて、横軸は誘起電圧演算部１１１により演算された演算誘起電圧ｅ’を表し、縦軸は不感帯処理後の誘起電圧ｅ（ここでは、補正誘起電圧ｅと呼ぶ）を表す。不感帯処理部１１２は、演算誘起電圧ｅ’が０〜ｅ１の範囲に入る場合には、補正誘起電圧ｅを０（ゼロ）に設定する。また、演算誘起電圧ｅ’がｅ１〜ｅ２の範囲に入る場合には、演算誘起電圧ｅ’にゲインＫを乗じた値（Ｋ・ｅ’）を補正誘起電圧ｅに設定する。このＫは、演算誘起電圧ｅ’がｅ１〜ｅ２の範囲において大きくなるにしたがって、０から１にまで増大されるように設定される。また、演算誘起電圧ｅ’がｅ２を越える場合には、演算誘起電圧ｅ’をそのまま補正誘起電圧ｅとして設定する。不感帯処理部１１２は、こうした不感帯処理により演算誘起電圧ｅ’を補正した補正誘起電圧ｅを出力する。以下、この補正誘起電圧ｅを、単に、誘起電圧ｅと呼ぶ。また、操舵トルクＴｒの大きさ｜Ｔｒ｜が基準トルクＴｒ０以下の場合には、演算誘起電圧ｅ’をそのままモータ２０で発生した誘起電圧ｅとして出力する。
ここで、このような不感帯処理を行う理由について説明する。モータ２０で発生する誘起電圧は、モータ角速度に比例するため、この誘起電圧を検出することにより単位時間当たりのモータ回転角度を推定することができ、このモータ回転角度分だけ電気角を加算していくことよって推定電気角を求めることができる。従って、本実施形態における電気角推定部１１０は、こうした原理を利用して電気角を推定する（後述する）。しかし、誘起電圧演算部１１１で演算した演算誘起電圧ｅ’には、電流値、電圧値の測定誤差や巻線抵抗値の誤差等が含まれるため、モータ２０（回転子）が回転していない状態であっても演算誘起電圧ｅ’がゼロにならない。そのため、誘起電圧演算部１１１で演算した演算誘起電圧ｅ’をそのまま使って電気角を推定すると、保舵中であっても電気角が進められてしまいモータ２０のトルクが変動する。このトルク変動が操舵ハンドル１１に振動として現れる。そこで、誤差による演算誘起電圧ｅ’の出力を抑えるために、演算誘起電圧ｅ’に不感帯を設ける。
演算誘起電圧ｅ’に不感帯を設定すると、モータ２０の回転が停止している状態においては、推定電気角が変化しないようになる。このため、保舵中においては操舵ハンドル１１が振動しない。しかし、運転者が操舵ハンドル１１を切り出すとき（中立位置から回し始めるとき）に推定電気角が進みにくく、操舵操作に引っ掛かり感を与えてしまう。
操舵ハンドル１１の切り出しにより操舵トルクが検出されてモータコイルに通電されると、回転子に設けた永久磁石がモータコイルで発生する磁界により引き寄せられる。このとき、演算誘起電圧ｅ’が不感帯を乗り越えられないと推定電気角が進まないため、モータコイルで発生する磁界が回転しない。従って、図１０に示すように、回転子は、永久磁石がモータコイルの磁界に吸着された位置で落ち着いてしまう。つまり、電流ベクトルがｄ軸方向を向いた状態に保持されてしまう。このため、操舵アシストトルクを発生させることができず、操舵操作に引っ掛かり感を与えることになる。
そこで、不感帯処理部１１２は、操舵トルクＴｒの大きさが小さい場合には、不感帯を設けないようにして、推定電気角が固定されないようにする。従って、運転者は、操舵ハンドル１１を中立位置から回し始める時（操舵トルクＴｒがまだ小さい）に、操舵操作に引っ掛かりを感じない。また、操舵ハンドル１１を操作していないときには、操舵トルクＴｒがゼロとなりモータ２０に通電されないため、トルク変動による操舵ハンドル１１の振動は発生しない。一方、操舵トルクＴｒの大きさが大きい場合には、不感帯を設けていないとモータ２０が回転していない状態であっても電気角が進められてしまい、保舵中にモータ２０でトルク変動が発生し、これにより操舵ハンドル１１が振動する。そこで、不感帯処理部１１２は、操舵トルクＴｒの大きさが大きい場合には、不感帯を設けて操舵ハンドル１１が振動しないようにする。
不感帯処理部１１２から出力された誘起電圧ｅは、推定角速度演算部１１３に入力される。推定角速度演算部１１３は、モータ２０で発生する誘起電圧ｅとモータ角速度とが比例関係を有することを利用して、モータ角速度ωを次式（７）により推定する。
ω＝ｅ／Ｋｅ ・・・（７）
Ｋｅは、モータ２０の角速度と誘起電圧との関係を表すモータ誘起電圧定数〔Ｖ／（ｒａｄ／ｓ）〕である。以下、推定されたモータ角速度ωを推定角速度ωと呼ぶ。
推定角速度演算部１１３は、演算結果である推定角速度ωを電気角加算量演算部１１４に出力する。電気角推定部１１０は、マイクロコンピュータにより所定の短い演算周期にて各種の演算処理を行う。従って、推定角速度ωと演算周期とから、１演算周期の間にモータ２０の回転子が回転した電気角を求めることができる。そこで、電気角加算量演算部１１４は、１演算周期の間にモータ２０の回転子が回転した電気角を電気角加算量Δθａとして計算する。
この場合、電気角を加算する方向、つまり、モータ２０の回転方向を判別する必要があるため、電気角加算量演算部１１４は、回転方向推定部１１５からモータ２０の回転方向を表す情報を入力する。回転方向推定部１１５は、操舵トルクセンサ２１により検出される操舵トルクＴｒの向きをモータ２０の回転方向とみなして、操舵トルクＴｒの向き（符号）を表す情報として出力する。
電気角加算量Δθａは次式（８）により算出される。
Δθａ＝Ｋｆ・ｓｉｇｎ（Ｔｒ）・ω ・・・（８）
ここでＫｆは、モータ角速度（ｒａｄ／ｓ）から１演算周期のあいだにモータ２０の回転子が回転する電気角（ｒａｄ）を求めるための定数であり、演算周期（ｓ）に相当する。また、ｓｉｇｎ（Ｔｒ）は、操舵トルクＴｒの符号（ステアリングシャフト１２に働くトルクの方向）を表し、操舵トルクＴｒが正の値またはゼロであればｓｉｇｎ（Ｔｒ）＝１、操舵トルクＴｒが負の値であればｓｉｇｎ（Ｔｒ）＝−１となる。
電気角加算量演算部１１４は、演算結果である電気角加算量Δθａを推定電気角演算部１１６に出力する。推定電気角演算部１１６は、電気角加算量Δθａと、電気角補正量演算部１１８から出力される電気角補正量Δθｃとを入力する。電気角補正量Δθｃは、後述するが、モータ２０の脱調に対するロバスト性を向上させるために、δ軸がｑ軸に対して所定角度遅れるように推定電気角を補正するため補正量である。
推定電気角演算部１１６は、１周期前の演算タイミングで算出した推定電気角θｅｂ(n-1)を記憶しており、この推定電気角θｅｂ(n-1)に電気角加算量Δθａと電気角補正量Δθｃとの合計値Δθ（＝Δθａ＋Δθｃ）を加算することにより現在の推定電気角θｅｂ(n)を算出する。推定電気角θｅｂ(n)は、次式（９）にて表される。
θｅｂ(n)＝θｅｂ（n-1)＋Δθ ・・・（９）
この場合、推定電気角θｅｂ（n-1)の初期値は、センサ異常検出部１３１により回転角センサ２２の異常が検出される直前の値としている。推定電気角演算部１１６は、回転角センサ２２の異常が検出されていない時から、実電気角変換部１３０が出力する実電気角θｅａを入力して記憶更新し、センサ異常検出部１３１の出力するセンサ異常判定信号Ｆが回転角センサ２２の異常を表す「１」に切り替わったことを検出すると、異常検出直前の実電気角θｅａを推定電気角θｅｂ（n-1)に設定して、上述した推定電気角θｅｂ(n)の演算を開始する。また、その後は、算出した推定電気角θｅｂ(n)を次の演算周期における式（９）での推定電気角θｅｂ（n-1)として使用するため、推定電気角θｅｂ(n)を推定電気角θｅｂ（n-1)として逐次記憶更新する。以下、推定電気角θｅｂ(n)を単に推定電気角θｅｂと呼ぶ。
推定電気角演算部１１６は、算出した推定電気角θｅｂを電気角選択部１３２に出力する。電気角選択部１３２は、実電気角θｅａと推定電気角θｅｂとを入力し、センサ異常検出部１３１からセンサ異常判定信号Ｆを読み込んで、センサ異常判定信号Ｆが回転角センサ２２が異常であることを表す「１」である場合には推定電気角θｅｂを選択する。また、センサ異常判定信号Ｆが回転角センサ２２が正常であることを表す「０」である場合には実電気角θｅａを選択する。電気角選択部１３２は、選択した実電気角θｅａまたは推定電気角θｅｂを電気角θｅとして出力する。
電気角θｅは、３相／２相座標変換部１０４，２相／３相座標変換部１０５に出力され、上述した座標変換演算に用いられる。従って、アシストＥＣＵ１００は、回転角センサ２２の異常が検出されているときは、推定電気角により定義されるｄ−ｑ座標、つまり、γ―δ座標を使って電流ベクトル制御を行う。
次に、電気角補正量Δθｃを算出する構成について説明する。上述したように、アシスト電流指令部１０２は、モータトルク効率を最大にするために、電流ベクトルがｑ軸方向に向くように電流指令値を設定する。この場合、図１１に示すように、アシストトルクＴｍと運転者の操舵力Ｔｓとを合わせた力が、軸力Ｆと釣り合うようにモータコイルの通電量が制御される。この軸力Ｆとは、ラックバー１４を変位させるために必要な力を表す。
軸力が急激に増加してモータ２０で発生するアシストトルクが不足した場合には、回転子が操舵方向に対して逆方向に回される。回転角センサ２２が正常に作動している場合であれば、電気角を高精度に検出できるため、回転子の回転に合わせて電流ベクトルの向きをｑ軸方向に追従させることができる。従って、図１２のＰ１位置に示すように、アシストトルクを最大限発生できる状態を維持できる。この図１２は、電流ベクトルの方向（電気角）に対するアシストトルク（モータトルク）の特性を表す。しかし、回転角センサ２２が故障して推定電気角を用いたセンサレス制御を行っている場合には、操舵トルクの働く方向と回転子の回転方向とが反対となり、相対的に推定角速度ωが大きくなる。このため、図１２の矢印に示すように、推定電気角が回転子に対して進んでしまいモータ２０が脱調する。これにより、モータ２０で発生できるアシストトルクが低下し、電流ベクトルの方向がｄ軸よりも１８０°以上進んだ逆アシスト領域に入ってしまう。モータ２０が逆アシスト方向の力を発生するように電流ベクトルが向く範囲を逆アシスト領域と呼び、モータ２０がアシスト方向の力を発生するように電流ベクトルが向く範囲を正アシスト領域と呼ぶ。この逆アシスト領域におけるアシストトルク特性は、正アシスト領域（ｑ軸を中心にして±９０°の範囲）のアシストトルク特性に対して符号が反対（波形が反転した特性）となる。
また、センサレス制御を行っている場合には、推定電気角の誤差分だけ、実際のｄ−ｑ座標とそれらを推定したγ―δ座標とがずれてしまう。このため、γ−δ座標を基準として電流ベクトル制御を行うと、電流ベクトルの方向がｑ軸方向からずれる。この場合、電流ベクトルがｑ軸よりも遅れた方向に向けられていれば、軸力の増加により回転子が操舵方向に対して逆方向に回されて電気角が相対的に進んでも、モータ２０で発生できるアシストトルクが増加するため回転子の逆回転が抑制されてモータ２０の脱調を防止することができる。しかし、電流ベクトルがｑ軸方向、あるいはｑ軸よりも進んだ方向に向けられている場合には、回転子が逆回転して電気角が相対的に進むと、モータ２０で発生できるアシストトルクが低下する。従って、回転子の逆回転を抑制できずモータ２０が脱調する。
そこで、本実施形態においては、δ軸がｑ軸よりも電気角の遅れた方向を向くように推定電気角を補正する電気角補正量Δθｃを算出し、この電気角補正量Δθｃを推定電気角演算部１１６に供給することでモータ２０の脱調を抑制する。電気角補正量Δθｃは、電気角誤差検出部１１７と電気角補正量演算部１１８とによって算出される。
電気角補正量Δθｃを算出するにあたっては、ｑ軸とδ軸との電気角の相違状態を把握する必要がある。ｑ軸とδ軸との相違状態は、γ軸方向に発生するγ軸誘起電圧（ｑ軸方向に発生する誘起電圧ｅのγ軸方向成分）に基づいて検出することができる。γ軸誘起電圧ｅγは次式（１０）にて表すことができる。
ｅγ＝Ｖγ−Ｒ・Ｉγ＋ω・Ｌ・Ｉδ ・・・（１０）
ここで、Ｖγは電機子電圧のγ軸方向成分、Ｒはコイルの巻線抵抗、Ｉγは電機子電流のγ軸方向成分、Ｌはコイルのインダクタンス、Ｉδは電機子電流のδ軸方向成分を表す。
誘起電圧ｅは必ずｑ軸上に発生する。従って、図１３（ａ）に示すように、ｑ軸とδ軸とが一致している場合には、γ軸誘起電圧ｅγはゼロとなる（ｅγ＝０）。また、図１３（ｂ）に示すように、ｑ軸に対してδ軸が遅れている場合には、γ軸誘起電圧ｅγの値は負の値となる（ｅγ＜０）。また、図１３（ｃ）に示すように、ｑ軸に対してδ軸が進んでいる場合には、γ軸誘起電圧ｅγの値は正の値となる（ｅγ＞０）。
また、ｑ軸とδ軸との電気角誤差も検出することができる。ｑ軸とδ軸との電気角誤差をΔθｅとすると、ｑ軸方向に発生する誘起電圧（実際の誘起電圧）ｅと、γ軸誘起電圧ｅγとの関係は、次式（１１）にて表すことができる。
ｅγ＝ｅ・ｓｉｎΔθｅ ・・・（１１）
従って、
ｓｉｎΔθｅ＝ｅγ／ｅ＝（Ｖγ−Ｒ・Ｉγ＋ω・Ｌ・Ｉδ）／ｅ ・・・（１２）
という関係式（１２）により、電気角誤差Δθｅを求めることができる。
ここで式（１２）の右辺における、Ｖγ，Ｉγ，Ｉδは、３相座標からｄ−ｑ座標に変換する式（１）の変換行列Ｃを用いて、モータ端子電圧Ｖu,Ｖv，Ｖw、モータ電流Ｉu，Ｉv，Ｉwから算出することができる。
ｑ軸とδ軸との電気角誤差Δθｅを検出することができれば、その電気角誤差Δθｅ分だけ推定電気角を補正すれば、δ軸をｑ軸位置にほぼ一致させることができる。しかし、上述したように、δ軸をｑ軸と一致させるように補正してしまうと、モータトルク効率は最大となるものの、軸力の変動によりモータ２０で脱調が発生しやすくなる。そこで、本実施形態においては、δ軸の電気角がｑ軸の電気角よりも遅れるように、つまり、δ軸がｑ軸よりも電気角の遅れた方向を向くように推定電気角を補正する。この場合、モータ２０脱調に対するロバスト性とモータトルク効率とをバランス良く確保するために、図１４に示すように、δ軸がｄ−ｑ座標における設定角度領域Ａに入るように推定電気角を補正する。設定角度領域Ａにおいて、ｑ軸からの電気角の遅れが最小となる境界角度を最小遅れ電気角θminと呼び、ｑ軸からの電気角の遅れが最大となる境界角度を最大遅れ電気角θmaxと呼ぶ。
最小遅れ電気角θminは、負荷増加に対する余裕度から設定される角度θ１と、各種誤差分を考慮した角度θ２と、推定電気角補正フィードバックによって補正可能な角度θ３とに基づいて、次のように設定される。
θmin＝θ１+θ２−θ３
尚、角度θ１、θ２、θ３は、ｑ軸から図１４の反時計方向（電気角の遅れ方向）に回る方向を正の角度［ｄｅｇ］とする。
電流指令値Ｉｑ＊が大きくなるほどモータ２０の脱調による振動の影響が大きくなる。そこで、角度θ１は、振動の影響が大きくなる電流指令値Ｉｑ＊が所定値Ｉ０となるときの、負荷増加に対してモータ２０で脱調が発生しないような余裕角度を設定したものである。図１５に示すように、電流指令値Ｉｑ＊がＩ０となるときのモータトルクをＴ０、モータトルクＴ０と釣り合う軸力をＦ、予め見込んだ負荷増加量をΔＦ、角度θ１の方向に向いた力でモータトルクＴ０を発生させるモータトルクをＴ１とすると、
Ｆ＝Ｔ０
Ｆ＋ΔＦ＝Ｔ１
Ｔ１・ｃｏｓθ１＝Ｔ０
という関係から、角度θ１は、次式にて表すことができる。
θ１＝ｃｏｓ−１｛（Ｔ０／（Ｔ０＋ΔＦ）｝
また、角度θ２は、各種の演算誤差、電流測定誤差を考慮して設定される。また、角度θ３は、図１６に示すように、電流ベクトルの方向がｑ軸よりも進んでしまっても、後述する推定電気角の補正フィードバックによって電流ベクトルの方向をｑ軸側に戻して脱調しないようにできる補正可能な限界角度を設定したもので、予め実験により求めて設定される。
一方、最大遅れ電気角θmaxは、熱性能とアシスト性能とを考慮して設定される。電流ベクトルの向きをｄ軸側に接近させるほどモータコイルやモータ駆動回路３０が発熱する。従って、センサレス制御を行うときの熱性能を満たす限界となる電流ベクトルのｑ軸からの遅れ角度を角度θ４として設定する。また、電流ベクトルの向きをｄ軸側に接近させるほど、アシストトルクが減少する。従って、センサレス制御を行うときのアシスト性能を満たす限界となる電流ベクトルのｑ軸からの遅れ角度を角度θ５として設定する。センサレス制御を行うときのアシスト性能とは、必要最小限のアシスト性能であって、例えば、車両の走行中に運転者が最大舵角まで操舵操作できるようなアシストトルクを出力できる能力に設定される。最大遅れ電気角θmaxは、熱性能とアシスト性能との両方が満たされるように、角度θ４と角度θ５とのうち、ｑ軸からの遅れ角度が小さい方の角度に設定される。
このように、最小遅れ電気角θminと最大遅れ電気角θmaxとの間に設定された設定角度領域Ａにδ軸が入るように推定電気角を補正することにより、センサレス制御中において電流ベクトルの方向が設定角度領域Ａに向けられることになる。本実施形態においては、設定角度領域Ａの範囲（最小遅れ電気角θminから最大遅れ電気角θmaxまでの角度θｘ）に比べて、ｑ軸から最小遅れ電気角θminまでの範囲が小さく設定されている。
図３の電気角推定部１１０の説明に戻る。電気角推定部１１０は、電気角誤差検出部１１７と電気角補正量演算部１１８とを備えている。電気角誤差検出部１１７は、電圧センサ３９から出力されるモータ端子電圧Ｖu，Ｖv，Ｖwを表す検出信号と、電流センサ３８から出力されるモータ電流Ｉu，Ｉv，Ｉwを表す検出信号と、不感帯処理部１１２から出力される誘起電圧ｅと、推定角速度演算部１１３から出力される推定角速度ωとを入力し、上述したeγ／ｅの値（ｑ軸方向に発生する誘起電圧ｅに対するγ軸誘起電圧ｅγの比）を計算する。上述したように、ｓｉｎΔθｅ＝ｅγ／ｅという関係が成立する。従って、eγ／ｅは、ｑ軸とδ軸との電気角誤差Δθｅに応じた値となる。そこで、電気角誤差検出部１１７は、電気角誤差Δθｅを計算することなく、eγ／ｅの値を検出値として電気角補正量演算部１１８に出力する。図１７は、検出値ｅ／ｅγと電気角誤差Δθｅとの関係を表す。
電気角補正量演算部１１８は、電気角誤差検出部１１７から出力された検出値eγ／ｅを入力し、電気角補正量算出マップを参照して１演算周期における電気角補正量Δθｃを計算する。電気角補正量算出マップは、図１８に示すように、検出値eγ／ｅと電気角補正量Δθｃとの対応関係を設定したものである。
電気角補正量Δθｃは、脱調に対するロバスト性とモータトルク効率とを両立させるために、δ軸がｄ−ｑ座標における設定角度領域Ａに入るように推定電気角を補正する値である。従って、電気角補正量算出マップは、設定角度領域Ａの境界である最小遅れ電気角θminと最大遅れ電気角θmaxとに対応する検出値ｅγ／ｅの範囲において不感帯Ｚが設定されている。ここで、最小遅れ電気角θminに対応する検出値ｅγ／ｅの値をｘ１とし、最大遅れ電気角θmaxに対応する検出値ｅγ／ｅの値をｘ２とする。この場合、検出値ｅγ／ｅの不感帯Ｚは、ｘ１〜ｘ２の間に設定される。このｘ１、ｘ２は、電気角誤差Δθｅと検出値ｅγ／ｅとの関係（式（１２）、図１７参照）から求められて設定される。
検出値ｅγ／ｅが正の値となる場合、δ軸はｑ軸よりも電気角の進んだ方向を向いている。従って、この場合には、電気角補正量Δθｃは、負の値に設定される。また、検出値ｅγ／ｅが負の値となる場合、δ軸はｑ軸よりも電気角の遅れた方向に向いている。この場合、電気角補正量Δθｃは、検出値ｅγ／ｅがｘ１を越える値であれば、モータ２０の脱調に対するロバスト性を向上させるために負の値に設定される。また、検出値ｅγ／ｅがｘ１以下でｘ２以上の場合は、δ軸が設定角度領域Ａに入っているため、電気角補正量Δθｃは、０（ゼロ）に設定される。また、検出値ｅγ／ｅがｘ２未満の場合には、電気角補正量Δθｃは、正の値に設定される。
また、電気角補正量算出マップにおいては、検出値ｅγ／ｅがｘ１より大きなｘ０以上となる場合、および、検出値ｅγ／ｅがｘ２より小さなｘ３以下となる場合に、電気角補正量Δθｃが一定の上限値に制限される。本実施形態においては、図１８に示すように、δ軸の電気角が設定角度領域Ａよりも遅れている場合の電気角補正量Δθｃの上限値をΔθｃmaxlagとし、δ軸の電気角が設定角度領域Ａよりも進んでいる場合の電気角補正量Δθｃの上限値をΔθｃmaxleadとすると、上限値Δθｃmaxleadのほうが上限値Δθｃmaxlagよりも大きな値に設定されている（絶対値の比較）。
また、電気角補正量Δθｃは、検出値ｅγ／ｅがｘ０〜ｘ１の範囲に入る場合、および、検出値ｅγ／ｅがｘ２〜ｘ３の範囲に入る場合に、検出値ｅγ／ｅが不感帯Ｚから外れている量に比例した大きさの電気角補正量Δθｃが設定される。この場合、電気角の補正感度は、δ軸の電気角が設定角度領域Ａよりも進んでいるか遅れているかによって異なるように設定されている。電気角の補正感度とは、検出値ｅγ／ｅが不感帯Ｚから外れている量に対する電気角補正量Δθｃの比を表す。本実施形態においては、δ軸の電気角が設定角度領域Ａよりも進んでいる場合における補正感度（図１８の特性ラインＧ１の傾き）が、δ軸の電気角が設定角度領域Ａよりも遅れている場合における補正感度（図１８の特性ラインＧ２の傾き）よりも大きく設定されている。
電気角補正量演算部１１８は、電気角補正量算出マップを参照して電気角補正量Δθｃを計算すると、この電気角補正量Δθｃに回転方向推定部１１５から入力した操舵トルクの向き（符号）を乗算し、この値を新たな電気角補正量Δθｃに設定する（Δθｃ←Δθｃ・ｓｉｇｎ（Ｔｒ））。電気角補正量演算部１１８は、こうして算出した電気角補正量Δθｃを推定電気角演算部１１６に出力する。推定電気角演算部１１６は、上述したように、電気角加算量演算部１１４から出力された電気角加算量θａと電気角補正量演算部１１８から出力された電気角補正量Δθｃとの合計値Δθ（＝Δθａ＋Δθｃ）を１周期前の演算タイミングで算出した推定電気角θｅｂ(n-1)に加算することで推定電気角θｅｂを算出する。
アシストＥＣＵ１００は、短い演算周期にて上述した処理を繰り返す。従って、回転角センサ２２の異常が検出されていないとき（センサ異常判定信号Ｆ＝０）には、実電気角θｅａに基づいて設定されたｄ−ｑ座標を用いて電流ベクトル制御が行われる。また、回転角センサ２２の異常が検出されているとき（センサ異常判定信号Ｆ＝１）には、電気角推定部１１０が推定電気角θｅｂを算出し、この推定電気角θｅｂによりｄ−ｑ座標を推定したγ−δ座標を用いて電流ベクトル制御が行われる。センサレス制御時においては、電気角補正量算出マップにしたがって電気角補正量Δθｃが演算されて推定電気角が補正されるため、図１４の矢印に示すように、δ軸が設定角度領域Ａに入るようにフィードバック制御される。これにより、電流ベクトルの向きが、実際のｑ軸よりも遅れた方向に向けられる。従って、図１９のＰ２位置に示すように、モータトルク効率は最大にはならないものの、軸力の急増により回転子が逆回転して電流ベクトルの方向が進んでもアシストトルクが増加するため、モータ２０の脱調を抑制することができる。
このようにセンサレス制御においては、δ軸が設定角度領域Ａに入るように推定電気角を補正するためモータ２０の脱調が抑制される。しかし、操舵ハンドル１１の戻し操作を行うときには、操舵ハンドル１１を握っている力を緩めるようにして操舵ハンドル１１を中立位置側に戻すため、操舵トルクの方向とモータ２０の回転方向とが互いに反対となる。従って、回転方向推定部１１５にて推定したモータ２０の回転方向が誤ったものとなる。このため、推定電気角演算部１１６は、モータ２０の回転とは逆方向に推定電気角を進めてしまう。従って、図２０に示すように、δ軸がｑ軸に対して進んでしまう。この結果、図１２、２０の矢印に示すように、電流ベクトルの方向がｑ軸よりも進んでいき、モータ２０で発生できるアシストトルクが減少して、逆アシスト領域に入ってしまう。このようにして、モータ２０は脱調する。
モータ２０が脱調しているときには、電流ベクトルの方向が回転子に対して相対的に変化していくため、モータ２０は、操舵操作をアシストする方向の力と、その逆方向である逆アシスト方向の力とを交互に発生するようになる。このため、平均的なモータトルクが低下してハンドル操作が重くなるとともに、モータトルクの周期的な変動が発生し、そのトルク変動が操舵ハンドル１１の振動として現れる。これにより、運転者に対して大きな違和感を与えてしまう。そこで、本実施形態においては、アシストトルク設定部１０１に、正常時アシストマップと異常時アシストマップとを記憶し、回転角センサ２２の異常が検出されているとき、つまり、センサレス制御を行うときには、異常時アシストマップを用いてアシスト制御を行うようにすることで、操舵操作の違和感を低減する。
上述したように、異常時アシストマップは、正常時アシストマップに比べて、不感帯Ｘ１が広く設定され、低トルク域Ｘ３Ｌにおいて目標アシストトルクＴ＊が小さく設定されている。この場合、保舵中における操舵トルクＴｒが低トルク域Ｘ３Ｌに入るように設定トルクＴｒｓが設定されている。従って、センサレス制御中においては、正常時アシストマップを使用する場合に比べて、通常のハンドル操舵操作が重くなる。モータ２０が脱調すると、目標アシストトルクＴ＊をモータ２０で発生できなくなり、運転者が操舵ハンドル１１を操作する操舵力が増加し操舵トルクＴｒが増加する。従って、操舵トルクＴｒは、高トルク域Ｘ３Ｈに到達する。
異常時アシストマップは、正常時アシストマップに比べて、高トルク域Ｘ３Ｈにおいて目標アシストトルクＴ＊が大きく設定されている。また、異常時アシストマップは、低トルク域Ｘ１３Ｌにおける増加率ｒに比べて、高トルク域Ｘ１３Ｈの増加率ｒの方が大きく設定されている。従って、モータ２０が脱調して操舵トルクＴｒが高トルク域Ｘ１３Ｈに入ると、目標アシストトルクＴ＊が急激に増加する。また、異常時アシストマップは、正常時アシストマップに比べて、上限制限開始トルクＴｒ２が小さく設定されている。このため、モータ２０が脱調したときには、正常時アシストマップを使用する場合に比べて、操舵トルクＴｒが早く上限制限開始トルクＴｒ２に達する。
これにより、センサレス制御中においては、モータ２０が脱調すると、正常時アシストマップを使用する場合に比べて、目標アシストトルクＴ＊が急激に増加し、それに伴って、アシスト電流指令部１０２により、大きな電流指令値（ｑ軸指令電流Ｉｑ＊）が設定される。
モータ２０が脱調しているときには、電流ベクトルは、回転子に対して相対回転するため、図２０に示すように、正アシスト領域と逆アシスト領域とを交互に進むようになる。このとき、電流ベクトルが正アシスト領域に入っている場合には、モータトルクの向きとモータ２０かかる負荷の向きが異なるため、電流ベクトルが回転子に対して相対的に進む速度が遅くなり、逆に、電流ベクトルが逆アシスト領域に入っている場合には、モータトルクの向きとモータ２０にかかる負荷の向きが同じであるため、電流ベクトルが回転子に対して相対的に進む速度が速くなる。
センサレス制御中においては、異常時アシストマップを使用するため、モータ２０が脱調したときには、正常時アシストマップを使用する場合に比べて大きなモータ電流を流すことができることから、電流ベクトルが正アシスト領域に入っている期間に比べて、電流ベクトルが逆アシスト領域に入っている期間を一層短くすることができる。このため、正常時アシストマップを使用する場合に比べて、モータトルク変動幅が少なくなる。これにより、ハンドル操作に必要となる操作力の振幅が小さくなり、運転者が感じる操舵ハンドルの振動を低減することができる。さらに振動の周波数も高くなる。このため、操舵ハンドル１１の振動による違和感が低減される。また、モータ２０が脱調した場合には、ハンドル操作が重くなるが、モータ２０が脱調していない場合においても、異常時アシストマップによりハンドル操作が重くなるように設定してあるため、脱調時とそうでない時とにおける操舵操作力の変動幅を少なくすることができ、モータ２０が脱調したときの違和感を低減することができる。
図２１は、脱調時における、実電気角θａｂ、推定電気角θｅｂ、電流指令値Ｉｑ＊、操舵トルクＴｒの推移を同じ時間軸で表した実験データを示す。図中（ａ）は、正常時アシストマップを使った場合の実験データ、図中（ｂ）は、異常時アシストマップを使った場合の実験データである。（ａ），（ｂ）ともに、同じ条件にて実験したもので、横軸は、同じ時間幅である。図示するように、異常時アシストマップを使った場合は、正常時アシストマップを使った場合に比べて、操舵トルクＴｒの変動幅ΔＴｒが小さいことがわかる。この実験データ（ａ）においては、操舵トルクＴｒがトルクセンサの検出範囲の上限を越えているため、波形の頂上平坦部はトルクセンサの検出上限値となっている。従って、実際の操舵トルクＴｒの変動幅ΔＴｒは、図に示す幅よりも大きいものである。また、図示するように、異常時アシストマップを使った場合は、正常時アシストマップを使った場合に比べて、操舵トルクＴｒの変動の周期が短くなることがわかる。従って、運転者の感じる操舵ハンドル１１の振動周波数が大きくなる。
以上説明した本実施形態の電動パワーステアリング装置によれば、以下の作用効果を奏する。
１．異常時アシストマップは、正常時アシストマップに比べて、操舵トルクＴｒの増加に対して目標アシストトルクＴ＊が急激に増加するように設定されているため、モータ２０が脱調したときに、大きなモータ電流を流すことができる。これにより、電流ベクトルが逆アシスト領域に入っている期間を短くすることができ、操舵操作に必要な力の変動（操舵トルクＴｒの振幅）を小さくすることができる。この結果、モータ２０が脱調したときに操舵ハンドル１１に発生する振動を小さくすることができ、操舵フィーリングの低下を抑制することができる。
２．異常時アシストマップは、正常時アシストマップに比べて、不感帯Ｘ１が広く、低トルク域Ｘ３において目標アシストトルクＴ＊が小さく設定されているため、センサレス制御中においては、ハンドル操作が重くなる。このため、モータ２０の脱調時とそうでない時とにおける操舵操作力の変動幅を少なくすることができ、モータ２０が脱調したときの違和感を低減することができる。
３．モータ２０が脱調したときに、大きなモータ電流を流すため、操舵ハンドル１１に発生する振動の周波数を高くすることができる。これにより、運転者の感じる違和感を低減することができる。
４．回転角センサ２２の異常が検出されているときには、δ軸の電気角がｑ軸の電気角よりも遅れるように推定電気角が補正される。従って、軸力が急増してモータ２０の回転子が操舵方向に対して逆方向に回転しても、モータ２０で発生するアシストトルクが増加するため、回転子の逆回転を抑制することができる。この結果、モータ２０の脱調に対するロバスト性が向上する。
５．推定電気角の算出にあたって必要となるモータ回転方向の情報を、操舵トルクセンサ２１により検出された操舵トルクＴｒの方向から取得するため、モータ回転方向を検出するための特別なセンサを要しなく低コストにて実施することができる。操舵トルクＴｒから回転方向の情報を取得する場合には、モータ２０の回転子が操舵方向に対して逆方向に回転したときに、回転子の回転方向と推定電気角を進める方向とが反対となって相対的な推定角速度ωが増大するためモータ２０が脱調しやすい。しかし、本実施形態においては、δ軸の電気角がｑ軸の電気角よりも遅れるように推定電気角を補正するため、回転子の逆回転を抑制することができる。この結果、モータ２０の脱調に対するロバスト性と低コスト化とを両立させることができる。
６．電気角補正量Δθｃは、δ軸の電気角がｑ軸よりも電気角の遅れた設定角度領域Ａに入るように設定される。この設定角度領域Ａは、負荷増加に対する余裕度、各種誤差分、推定電気角補正フィードバックによって補正可能な角度分、熱性能、アシスト性能を考慮して設定されているため、モータ２０の脱調に対するロバスト性とモータトルク効率とをバランス良く確保することができる。また、必要最小限のアシスト性能を確保することができる。
７．電気角補正量Δθｃの算出にあたっては、δ軸とｑ軸との電気角の相違状態を検出する必要があるが、本実施形態においては、検出値ｅγ／ｅを算出しているため、δ軸とｑ軸との角度差（電気角誤差）まで検出することができる。この結果、δ軸を設定角度領域Ａに適正に維持することができる。また、電気角補正量算出マップを参照して、検出値ｅγ／ｅから電気角補正量Δθｃを算出するため、検出値ｅγ／ｅの不感帯Ｚを設けることで、簡単に設定角度領域Ａを設定することができる。
８．電気角補正量Δθｃの算出にあたっては、推定電気角を１回で補正できる上限値が設定されている。この場合、δ軸の電気角が設定角度領域Ａよりも遅れている場合の上限値Δθｃmaxlagよりも、δ軸の電気角が設定角度領域Ａよりも進んでいる場合の上限値Δθｃmaxleadのほうが大きな値に設定されている。このため、δ軸の電気角がモータ２０の脱調が発生しやすい領域に入っている場合には、電気角補正量Δθｃを大きく設定できるためモータ２０の脱調を速やかに回避することができる。一方、δ軸の電気角がモータトルク効率の低い領域に入っている場合には、安定した制御速度で推定電気角を補正して、モータトルク効率を高めることができる。
９．電気角補正量Δθｃの算出にあたっては、δ軸の電気角が設定角度領域Ａよりも遅れている場合の補正感度よりも、δ軸の電気角が設定角度領域Ａよりも進んでいる場合の補正感度のほうが大きく設定されている。このため、δ軸の電気角がモータ２０の脱調が発生しやすい領域に入っている場合には、電気角補正量Δθｃを大きく設定できるためモータの脱調を速やかに回避することができる。一方、δ軸の電気角がモータトルク効率の低い領域に入っている場合には、安定した制御速度で推定電気角を補正して、モータトルク効率を高めることができる。
１０．設定角度領域Ａの範囲（最小遅れ電気角θminから最大遅れ電気角θmaxまでの角度θｘ）に比べて、ｑ軸から最小遅れ電気角θminまでの範囲が小さく設定されている。従って、モータ２０の脱調を抑制しつつ、できるだけモータトルク効率を高い状態に維持することができる。
１１．推定誘起電圧ｅの算出にあたって、操舵トルクＴｒの大きさが小さい場合には、誘起電圧ｅに不感帯が設定されない。これにより、推定電気角が固定されないため、操舵ハンドル１１を中立位置から回し始める時に、運転者に操舵操作の引っ掛かりを感じさせない。一方、操舵トルクＴｒの大きさが大きい場合には、誘起電圧ｅに不感帯が設定される。これにより、操舵ハンドル１１が振動しないため、操舵フィーリングの低下を抑制することができる。
以上、本実施形態の電動パワーステアリング装置について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
例えば、本実施形態では、図５，図６に示すように、異常時アシストマップにおいて、上限制限開始トルクＴｒ１２が車速ｖに関係なく一定値に設定されるが、図２２に示すように、車速ｖが大きいほど上限制限開始トルクＴｒ１２を大きく設定するようにしてもよい。この場合でも、上限制限開始トルクＴｒ１２は、上限制限開始トルクＴｒ０２に比べて小さく設定されるものである。また、本実施形態では、異常時アシストマップにおいて、目標アシストトルクＴ＊の上限値Ｔ１maxを車速ｖに関係なく一定値に設定されるが、車速ｖに応じて変更するようにしてもよい。
また、図２３に示すように、異常時アシストマップにおける高トルク域Ｘ１３Ｈにおいては、操舵トルクＴｒの増加に正比例して増加する目標アシストトルクＴ＊を設定するようにしてもよい。尚、図２３は、特定の車速ｖにおけるアシストマップである。
また、本実施形態においては、アシストトルク設定部１０１は、正常時アシストマップと異常時アシストマップの両方を記憶してその一方を選択して使用するが、異常時アシストマップを記憶せずに、正常時アシストマップと、正常時アシストマップから異常時アシスト特性を導く計算式を記憶するようにして、目標アシストトルクＴ＊を算出するようにしてもよい。ここで、図２３の異常時アシストマップで表される異常時アシスト特性を正常時アシストマップから計算する例について説明する。
アシストトルク設定部１０１は、センサレス制御の実行時において、操舵トルクＴｒが不感帯終了トルクＴｒ１１未満であるか（Ｔｒ＜Ｔｒ１１）、不感帯終了トルクＴｒ１１〜設定トルクＴｒｓの間に入るか（Ｔｒ１１≦Ｔｒ≦Ｔｒｓ）、設定トルクＴｒｓ〜上限制限開始トルクＴｒ１２の間に入るか（Ｔｒｓ＜Ｔｒ≦Ｔｒ１２）、上限制限開始トルクＴｒ１２を越えるか（Ｔｒ＞Ｔｒ１２）を判別する。そして、操舵トルクＴｒが不感帯終了トルクＴｒ１１未満である場合には、目標アシストトルクＴ＊をゼロに設定する（Ｔ＊＝０）。
また、アシストトルク設定部１０１は、操舵トルクＴｒが不感帯終了トルクＴｒ１１〜設定トルクＴｒｓの間に入る場合、つまり、低トルク域Ｘ１３Ｌに入る場合には、次式により目標アシストトルクＴ＊を計算する。
Ｔ＊＝Ｔ＊０×（（Ｔｒ−Ｔｒ１１）／（Ｔｒｓ−Ｔｒ１１）
ここで、Ｔ＊０は正常時アシストマップにおける操舵トルクＴｒに対応する目標アシストトルクの値である。従って、この計算を行う場合は、正常時アシストマップを参照する。
また、アシストトルク設定部１０１は、操舵トルクＴｒが設定トルクＴｒｓ〜上限制限開始トルクＴｒ１２の間に入る場合、つまり、高トルク域Ｘ１３Ｈに入る場合には、次式により目標アシストトルクＴ＊を計算する。
Ｔ＊＝Ｔ＊０ｓ＋Ｋｔ×（Ｔｒ−Ｔｒｓ）
ここで、Ｔ＊０ｓは、正常時アシストマップにおける設定トルクＴｒｓに対応する目標アシストトルクの値である。また、Ｋｔは、車速ｖ毎に設定されるゲインであり、図２３のａ点とｂ点とを線形補間するように予め設定された値である。従って、この計算を行う場合にも、正常時アシストマップを参照する。
また、アシストトルク設定部１０１は、操舵トルクＴｒが上限制限開始トルクＴｒ１２を越える場合には、目標アシストトルクＴ＊を上限値Ｔ１maxに設定する（Ｔ＊＝Ｔ１max）。このように、アシストトルク設定部１０１は、正常時アシストマップから異常時アシスト特性を取得するために必要な計算式を記憶することにより、異常時アシストマップを記憶する必要がなく、メモリ容量を削減することができる。
また、本実施形態においては、電気角補正量Δθｃを用いて、δ軸の電気角がｑ軸の電気角よりも遅れるように推定電気角を補正するようにしているが、必ずしも、そのようにする必要はなく、電気角誤差検出部１１７，電気角補正量演算部１１８を省略した構成であってもよい。
また、本実施形態においては、操舵トルクＴｒの大きさに応じて誘起電圧ｅの不感帯を切り替えるようにしているが、必ずしも、そのようにする必要はなく、一定の不感帯を設けたものであっても良い。
また、本実施形態では、操舵トルクセンサ２１により検出される操舵トルクＴｒの方向をモータ２０の回転方向とみなして推定電気角を演算するが、操舵角センサ等、モータ２０の回転方向を検出できるセンサを備えている場合には、そのセンサの検出値を使ってモータ２０の回転方向を推定するようにしてもよい。
また、本実施形態においては、推定電気角の初期値θｅｂ（n-1)として、回転角センサ２２の異常が検出される直前の実電気角θｅａの値を用いているが、それに代えて固定値など任意の値を用いても良い。これは、初期の推定電気角が実電気角と相違していても、モータ２０が回転しているうちに、電流ベクトルの方向に永久磁石が引き寄せられて同期するからである。
また、本実施形態においては、モータ２０の発生するトルクをラックバー１４に付与するラックアシスト式の電動パワーステアリング装置について説明したが、モータの発生するトルクをステアリングシャフト１２に付与するコラムアシスト式の電動パワーステアリング装置であってもよい。
１０…ステアリング機構、１１…操舵ハンドル、２０…電動モータ、２１…操舵トルクセンサ、２２…回転角センサ、２５…車速センサ、３０…モータ駆動回路、３８…電流センサ、３９…電圧センサ、１００…電子制御装置（アシストＥＣＵ）、１０１…アシストトルク設定部、１０２…アシスト電流指令部、１０３…フィードバック制御部、１０４…３相／２相座標変換部、１０５…２相／３相座標変換部、１０６…ＰＷＭ制御信号発生部、１１０…電気角推定部、１１１…誘起電圧演算部、１１２…不感帯処理部、１１３…推定角速度演算部、１１４…電気角加算量演算部、１１５…回転方向推定部、１１６…推定電気角演算部、１１７…電気角誤差検出部、１１８…電気角補正量演算部、１３０…実電気角変換部、１３１…センサ異常検出部、１３２…電気角選択部。

Claims (6)

  1. ステアリング機構に設けられて操舵アシストトルクを発生する永久磁石同期モータと、
    操舵ハンドルからステアリングシャフトに入力された操舵トルクを検出する操舵トルクセンサと、
    前記操舵トルクセンサで検出される操舵トルクが大きくなるにしたがって目標操舵アシストトルクを大きく設定するように前記操舵トルクと前記目標操舵アシストトルクとを関係付けたアシスト特性を記憶し、前記アシスト特性に基づいて前記操舵トルクから目標操舵アシストトルクを設定する目標操舵アシストトルク設定手段と、
    前記永久磁石同期モータの電気角を検出するための回転角センサと、
    前記回転角センサの異常を検出するためのセンサ異常検出手段と、
    前記永久磁石同期モータの回転方向を推定する回転方向推定手段と、
    前記センサ異常検出手段により前記回転角センサの異常が検出されているとき、前記永久磁石同期モータで発生する誘起電圧と前記永久磁石同期モータの回転方向とに基づいて前記永久磁石同期モータの推定電気角を算出する電気角推定手段と、
    前記永久磁石同期モータで前記目標操舵アシストトルクを発生するように、前記回転角センサの異常が検出されていないときには前記回転角センサにより検出された電気角を用いて前記永久磁石同期モータを駆動制御し、前記回転角センサの異常が検出されているときには前記電気角推定手段により算出された推定電気角を用いて前記永久磁石同期モータを駆動制御するモータ制御手段と
    を備えた電動パワーステアリング装置において、
    前記目標操舵アシストトルク設定手段は、前記回転角センサの異常が検出されているときに使用する異常時アシスト特性と、前記回転角センサの異常が検出されていないときに使用する正常時アシスト特性とを記憶し、
    前記異常時アシスト特性は、前記操舵トルクが予め設定された低トルク域に入る場合には前記正常時アシスト特性に比べて前記目標操舵アシストトルクが小さく、前記操舵トルクが増加して前記低トルク域を越えた場合には前記正常時アシスト特性に比べて前記目標操舵アシストトルクが大きくなるように、前記操舵トルクと前記目標操舵アシストトルクとの関係が設定されていることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
  2. 前記異常時アシスト特性および前記正常時アシスト特性は、前記目標操舵アシストトルクをゼロに設定する前記操舵トルクの不感帯が設けられており、前記異常時アシスト特性における不感帯は、前記正常時アシスト特性における不感帯よりも広いことを特徴とする請求項１記載の電動パワーステアリング装置。
  3. 前記異常時アシスト特性は、前記操舵トルクの増加に対して前記目標操舵アシストトルクの増加する増加率が、前記操舵トルクが前記低トルク域に入っているときよりも前記低トルク域を超えているときのほうが大きくなるように、前記操舵トルクと前記目標操舵アシストトルクとの関係が設定されていることを特徴とする請求項１または２記載の電動パワーステアリング装置。
  4. 前記異常時アシスト特性および前記正常時アシスト特性は、前記操舵トルクが予め設定された上限制限開始トルク以上になると前記目標操舵アシストトルクが上限値制限されるように、前記操舵トルクと前記目標操舵アシストトルクとの関係が設定されており、前記異常時アシスト特性における上限制限開始トルクは、前記正常時アシスト特性における上限制限開始トルクよりも小さいことを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか一項記載の電動パワーステアリング装置。
  5. 前記回転方向推定手段は、前記操舵トルクセンサで検出された操舵トルクの方向に基づいて、前記永久磁石同期モータの回転方向を推定することを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れか一項記載の電動パワーステアリング装置。
  6. 前記目標操舵アシストトルク設定手段は、前記回転角センサの異常が検出されていないときの前記操舵トルクと前記目標操舵アシストトルクとを関係付けた正常時アシストマップと、前記正常時アシストマップに基づいて前記回転角センサの異常が検出されているときの前記操舵トルクから前記目標操舵アシストトルクを取得するために必要な計算式とにより、前記正常時アシスト特性と前記異常時アシスト特性とを記憶することを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れか一項記載の電動パワーステアリング装置。
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