JP6237565B2 - 回転電機制御装置、および、これを用いた電動パワーステアリング装置 - Google Patents
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Description
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、異常検出を適切に実行可能な回転電機制御装置、および、これを用いた電動パワーステアリング装置を提供することにある。
インバータは、高電位側に接続される上アーム素子、および、上アーム素子の低電位側に接続される下アーム素子を有し、回転電機の電力を変換する。
端子電圧検出部は、巻線の各相の端子電圧を検出する。抵抗は、巻線の各相と電源の正側とを接続する。回転角センサは、回転電機の回転角を検出する。
信号生成部は、上アーム素子および下アーム素子のオンオフ作動を制御する制御信号を生成する。
異常検出部は、全ての上アーム素子および下アーム素子にかかる制御信号がオフ指令であり、かつ、回転電機の回転数が所定の回転数閾値未満である場合、各相の端子電圧の全相和に基づいて異常検出を行う。
異常検出部は、回転角センサが正常である場合、回転角に基づいて演算された回転数に基づき、当該回転数が回転数閾値未満か否かを判断し、回転角センサが正常でない場合、端子電圧の振幅が所定の判定可能閾値未満であるとき、回転数が回転数閾値未満であるとみなす。
本発明では、制御信号に応じた電力以外の外力によって回転電機が駆動されることで生じる逆起電力を考慮して異常検出を行うので、操舵部材が操舵されることにより回転電機が回転したとしても、適切に異常検出を行うことができる。
(一実施形態)
本発明の一実施形態を図1〜図15に示す。
図1に示すように、回転電機制御装置としての制御装置1は、回転電機としてのモータ10とともに、運転者によるステアリング操作を補助する電動パワーステアリング装置2に適用される。
図1は、電動パワーステアリング装置2を備えるステアリングシステム90の構成を示す。ステアリングシステム90は、操舵部材であるハンドル(ステアリングホイール)91、ステアリングシャフト92、ピニオンギア96、ラック軸97、車輪98、および、電動パワーステアリング装置2等から構成される。
これにより、運転者がハンドル91を回転させると、ハンドル91に接続されたステアリングシャフト92が回転する。ステアリングシャフト92の回転運動は、ピニオンギア96によってラック軸97の直線運動に変換され、ラック軸97の変位量に応じた角度に一対の車輪98が操舵される。
モータ10は、電源としてのバッテリ5(図2参照)から電力が供給されることにより駆動し、減速ギア89を正逆回転させる。
第1巻線組110は、U1コイル111、V1コイル112、W1コイル113を有する。コイル111、112、113は、一端が第1インバータ120と接続され、他端が結線部119で結線される。以下、U1コイル111の一端をU1端子114、V1コイル112の一端をV1端子115、W1コイル113の一端をW1端子116という。
第2巻線組210は、U2コイル211、V2コイル212、W2コイル213を有する。コイル211、212、213は、一端が第2インバータ220と接続され、他端が結線部219で結線される。以下、U2コイル211の一端をU2端子214、V2コイル212の一端をV2端子215、W2コイル213の一端をW2端子216という。
本実施形態では、3桁で付番した構成について、百の位が「1」である場合、第1系統100を構成するものであることを意味し、百の位が「2」である場合、第2系統200を構成するものであることを意味する。また、下2桁が同じである場合、第1系統100と第2系統200とで同様の構成であることを意味する。
以下、第1系統100に係る構成を中心に説明し、第1系統100と同様である場合、第2系統200に係る構成の説明を適宜省略する。
本実施形態の上アーム素子121〜123、221〜223、および、下アーム素子124〜126、224〜226は、MOSFET(金属酸化物半導体電界効果トランジスタ)である。
また、第2電流検出部230において、電流センサ231〜233の両端電圧は、各相電流Iu2、Iv2、Iw2に係る検出値として、オペアンプ234、235、236を経由して、制御部80に出力される。
なお、図2および図3中においては、各相電流Iu1に係る検出値を、単に「Iu1」と記載する。他の検出値についても同様とする。
U1端子電圧検出部141は、分圧抵抗である抵抗142、143を有し、U1端子114と第1負側母線166とに接続される。抵抗142、143の接続点の電圧は、U1コイル111の端子電圧Vu1に係る検出値として制御部80に出力される。
W1端子電圧検出部147は、分圧抵抗である抵抗148、149を有し、W1コイル113の一端116と第1負側母線166とに接続される。抵抗148、149の接続点の電圧は、W1コイル113の端子電圧Vw1に係る検出値として制御部80に出力される。
また、第2母線電圧検出部255において、抵抗256、257の接続点の電圧は、第2正側母線265の電圧である第2母線電圧Vr2に係る検出値として制御部80に出力される。
第1コンデンサ162は、第1正側母線165と第1負側母線166とに接続され、電荷を蓄えることで、第1インバータ120への電力供給を補助したり、サージ電流などのノイズ成分を抑制したりする。
第1正側母線165は、第1上アーム素子121〜123の高電位側とバッテリ5の正極とを接続する高電位側配線であって、第1電源リレー161の下流側(すなわち、バッテリ5と反対側)とする。第1負側母線166は、第1下アーム素子124〜126の低電位側とバッテリ5の負極とを接続する低電位側配線である。
第2プリチャージ回路267は、第2電源リレー261のバッテリ5と反対側に接続され、第2電源リレー261の下流側に第2プリチャージ電圧Vpre2を供給する。
各検出部を構成する抵抗の抵抗値は、各点における電圧が制御部80にて検出可能な範囲となるように、適宜設定される。
なお、図2においては、煩雑になることを避けるため、第1系統100への制御線等は適宜省略した。
マイコン81は、制御装置1全体の制御を司るものであり、トルクセンサ94から入力されるトルク検出値や、回転角センサ75から入力される回転角θに係る検出値等に基づいて各種演算を実行するマイクロコンピュータ等により構成される。
マイコン81は、AD変換部82、信号生成部83、および、異常検出部84等を有する。
信号生成部83は、各相電流Iu1、Iv1、Iw1、Iu2、Iv2、Iw2、および、回転角θ等に基づくPWM制御により、PWM信号を生成し、駆動回路85へ出力する。
本実施形態では、イネーブル信号ENB1、ENB2がハイレベルであることが各素子をオンする旨の信号であるものとし、ローレベルであることが各素子をオフする旨の信号であるものとする。
異常検出の詳細については後述する。
第1ゲート駆動回路86は、各PWM信号U1_PWM_H、U1_PWM_L、V1_PWM_H、V1_PWM_L、W1_PWM_H、W1_PWM_Lと、第1イネーブル信号ENB1とのAND回路により構成される。
PWM信号U1_PWM_Hおよび第1イネーブル信号ENB1がともにオン信号である場合、U相の上アーム素子121の駆動に係る駆動信号U1_Hをオン信号(本実施形態ではハイレベル)とする。PWM信号U1_PWM_Hおよび第1イネーブル信号ENB1の少なくとも一方がオフ信号である場合、駆動信号U1_Hをオフ信号(本実施形態ではローレベル)とする。生成された駆動信号U1_Hは、上アーム素子121のゲートに出力される。
第2ゲート駆動回路87は、第1ゲート駆動回路86と同様、U相の上アーム素子221の駆動に係る駆動信号U2_H、下アーム素子224の駆動に係る駆動信号U2_L、V相の上アーム素子222の駆動に係る駆動信号V2_H、下アーム素子225の駆動に係る駆動信号V2_L、W相の上アーム素子223の駆動に係る駆動信号W2_H、および、下アーム素子226の駆動に係る駆動信号W2_Lは、駆動信号U1_Hと同様、各PWM信号と第2イネーブル信号ENB2とに基づいて生成され、各素子221〜226のゲートに出力される。
本実施形態の制御装置1は、電動パワーステアリング装置2に適用されている。そのため、バッテリ5からの電力供給を開始する前であっても、運転者によりハンドル91が操作されると、モータ10が回転する虞がある。モータ10が回転すると、逆起電圧が生じる。
図4は、第1系統100の第1巻線組110、第1端子電圧検出部140、第1プルアップ抵抗群150、および、バッテリ5を等価変換した回路図である。本実施形態では、端子電圧検出部141、144、147の高電位側の抵抗142、145、148の抵抗値が等しいものとし、その抵抗値をRuとする。端子電圧検出部141、144、147の低電位側の抵抗143、146、149の抵抗値が等しいものとし、その抵抗値をRdとする。また、プルアップ抵抗151、152、153の抵抗値が等しいものとし、その抵抗値をRupとする。
+(V−Vw1)/Rup−Vw1/R=0
R(V−Vu1)−RupVu1+R(V−Vv1)−RupVv1
+R(V−Vw1)−RupVw1=0
3RV=(R+Rup)(Vu1+Vv1+Vw1) ・・・(1)
R=Ru+Rd ・・・(2)
Vu1−Vv1=Eu−Ev ・・・(3)
Vu1−Vw1=Eu−Ew ・・・(4)
3Vu1−2Eu+Ev+Ew=3RV/(R+Rup)
3Vu1−3Eu=3RV/(R+Rup)
Vu1=RV/(R+Rup)+Eu ・・・(5)
また、式(1)は、式(6)のように変形可能である。
Vu1+Vv1+Vw1=3RV/(R+Rup) ・・・(6)
一方、式(6)に示すように、端子電圧Vu1、Vv1、Vw1の3相和(すなわちVu1+Vv1+Vw1)には、逆起電圧Eu、Ev、Ewの影響が現れない。そこで本実施形態では、端子電圧Vu1、Vv1、Vw1の3相和に基づいて異常検出を行う。
また、モータ10の回転数(以下、「モータ回転数N」という。)が大きくなると逆起電圧Eu、Ev、Ewが大きくなるため、本実施形態では、端子電圧Vu1、Vv1、Vw1のピーク値が第1母線電圧Vr1以下となる回転数閾値Nthを予め設定しておき、モータ回転数Nが回転数閾値Nth以下の範囲で異常検出を行うものとする。
最初のステップS101(以下、「ステップ」を省略し、単に記号「S」と記す。)では、第1母線電圧Vr1の地絡チェックの前提条件を満たしているか否かを判断する。ここでは、IG電圧Vigが所定値より大きい場合、前提条件を満たしているものとする。第1母線電圧Vr1の地絡チェックの前提条件を満たしていないと判断された場合(S101:NO)、すなわち、IG電圧Vigが所定値以下である場合、この判断処理を繰り返す。第1母線電圧Vr1の地絡チェックの前提条件を満たしていると判断された場合(S101:YES)、すなわち、IG電圧Vigが所定値より大きい場合、S102へ移行する。
S103では、第1系統100が故障している旨の第1故障フラグFlg1をオンし、本処理を終了する。
S105では、回転角センサ75が正常か否かを判断する。回転角センサ75の異常検出は、例えば特開2011−99846号公報に記載の方法等、公知の方法にて実施される。回転角センサ75が正常でないと判断された場合(S105:NO)、S107へ移行する。回転角センサ75が正常であると判断された場合(S105:YES)、S106へ移行する。
第1系統100の端子地絡チェックの前提条件を満たしていると判断された場合(S106:YES)、すなわち、モータ回転数Nが回転数閾値Nth未満である場合、S111へ移行する。
第1端子電圧振幅M1は式(7)により演算され、第2端子電圧振幅M2は式(8)により演算される。
S109では、振幅異常フラグFlgMをオンし、本処理を終了する。
S112では、第1故障フラグFlg1をオンし、本処理を終了する。
S114では、第1系統100の端子電圧チェックの前提条件を満たしているか否かを判断する。ここでの処理は、図7中のS106の処理と同様であり、第1系統100の端子電圧チェックの前提条件を満たしていないと判断された場合(S114:NO)、すなわち、モータ回転数Nが回転数閾値Nth以上である場合、前提条件待ち時間の間、この判断処理を繰り返す。第1系統100の端子電圧チェックの前提条件を満たしていると判断された場合(S114:YES)、すなわち、モータ回転数Nが回転数閾値Nth未満である場合、S119へ移行する。
第2故障フラグFlg2がオフであり(S115:YES)、第1端子電圧振幅M1および第2端子電圧振幅M2が正常であると判断された場合(S116:YES)に移行するS118では、第1系統100の端子電圧チェックの前提条件を満たしているか否かを判断する。ここでの処理は、図7中のS110の処理と同様であり、第1系統100の端子電圧チェックの前提条件を満たしていないと判断された場合(S118:YES)、すなわち、第1端子電圧振幅M1が第1判定可能閾値Mth1以上である場合、前提条件待ち時間の間、この判断処理を繰り返す。第1系統100の端子電圧チェックの前提条件を満たしていると判断された場合(S118:YES)、すなわち、第1端子電圧振幅M1が第1判定可能閾値Mth1未満である場合、S119へ移行する。
S120では、第1故障フラグFlg1をオンし、本処理を終了する。
なお、S120までの処理は、第1系統100の回路部の異常判定に係る処理であり、S121以降の処理は、イネーブル機能の異常判定に係る処理である。
S123では、第1系統100の下アーム素子124〜126に係るイネーブル機能(以下、「第1下側イネーブル機能」という。)チェックの前提条件を満たしているか否かを判断する。ここでの処理は、図7中のS106の処理と同様であり、第1下側イネーブル機能チェックの前提条件を満たしていないと判断された場合(S123:NO)、すなわち、モータ回転数Nが回転数閾値Nth以上である場合、前提条件待ち時間の間、この判断処理を繰り返す。第1下側イネーブル機能チェックの前提条件を満たしていると判断された場合(S123:YES)、すなわち、モータ回転数Nが回転数閾値Nth未満である場合、S128へ移行する。
第2故障フラグFlg2がオフであり(S124:YES)、第1端子電圧振幅M1および第2端子電圧振幅M2が正常であると判断された場合(S125:YES)に移行するS127では、第1下側イネーブル機能チェックの前提条件を満たしているか否かを判断する。ここでの処理は、図7中のS110の処理と同様であり、第1下側イネーブル機能チェックの前提条件を満たしていないと判断された場合(S127:YES)、すなわち、第1端子電圧振幅M1が第1判定可能閾値Mth1以上である場合、前提条件待ち時間の間、この判断処理を繰り返す。第1下側イネーブル機能チェックの前提条件を満たしていると判断された場合(S127:YES)、すなわち、第1端子電圧振幅M1が第1判定可能閾値Mth1未満である場合、S128へ移行する。
第1下側イネーブル機能が正常であると判断された場合(S128:YES)、S130へ移行する。第1下側イネーブル機能が正常でないと判断された場合(S128:NO)、S129へ移行する。
S130では、第1下アーム素子124〜126の駆動に係るPWM信号U1_PWM_L、V1_PWM_L、W1_PWM_Lをオフ信号とし、図10中のS131へ移行する。
S133では、第1系統100の上アーム素子121〜123に係るイネーブル機能(以下、「第1上側イネーブル機能」という。)チェックの前提条件を満たしているか否かを判断する。ここでの処理は、図7中のS106の処理と同様であり、第1系統100の端子電圧チェックの前提条件を満たしていないと判断された場合(S133:NO)、すなわち、モータ回転数Nが回転数閾値Nth以上である場合、前提条件待ち時間の間、この判断処理を繰り返す。第1系統100の端子電圧チェックの前提条件を満たしていると判断された場合(S133:YES)、すなわち、モータ回転数Nが回転数閾値Nth未満である場合、S138へ移行する。
第2故障フラグFlg2がオフであり(S134:YES)、第1端子電圧振幅M1および第2端子電圧振幅M2が正常であると判断された場合(S135:YES)に移行するS137では、第1上側イネーブル機能チェックの前提条件を満たしているか否かを判断する。ここでの処理は、図7中のS110の処理と同様であり、第1上側イネーブル機能チェックの前提条件を満たしていないと判断された場合(S137:YES)、すなわち、第1端子電圧振幅M1が第1判定可能閾値Mth1以上である場合、前提条件待ち時間の間、この判断処理を繰り返す。第1上側イネーブル機能チェックの前提条件を満たしていると判断された場合(S137:YES)、すなわち、第1端子電圧振幅M1が第1判定可能閾値Mth1未満である場合、S138へ移行する。
第1上側イネーブル機能が正常であると判断された場合(S138:YES)、S140へ移行する。第1上側イネーブル機能が正常でないと判断された場合(S138:NO)、S139へ移行する。
S140では、第1上アーム素子121〜123の駆動に係るPWM信号U1_PWM_H、V1_PWM_H、W1_PWM_Hをオフ信号とする。また、正常判定されて第1異常検出処理が終了したことを示す第1正常フラグFlgC1をオンし、本処理を終了する。
第2異常検出処理では、第1異常検出処理の第1故障フラグFlg1に替えて、第2故障フラグFlg2とする。
S209、S217、S226、および、S236の処理は、図7中のS109の処理と同様である。
これらのステップでは、パラメータの読み替えは不要である。
また、第1異常判定値F1に替えて、第2異常判定値F2とする。本実施形態では、第2異常判定値F2は、第1異常判定値F1と同じ値とするが、異なる値としてもよい。
S228およびS238も同様とする。
S301では、第1異常検出処理が終了したか否かを判断する。第1異常検出処理が終了していないと判断された場合(S301:NO)、すなわち、第1故障フラグFlg1、振幅異常フラグFlgM、および、第1正常フラグFlgC1が共にオフである場合、この判断処理を繰り返す。第1異常検出処理が終了したと判断された場合(S301:YES)、すなわち、第1故障フラグFlg1、振幅異常フラグFlgM、または、第1正常フラグFlgC1がオンである場合、S302へ移行する。
S304では、モータ10の駆動を開始する。
S305では、故障時処理を実行する。
第2インバータ220は、高電位側に接続される第2上アーム素子221〜223、および、第2上アーム素子221〜223の低電位側に接続される第2下アーム素子224〜226を有し、モータ10の電力を変換する。
プルアップ抵抗151〜153は、コイル111〜113の各相とバッテリ5の正側とを接続する。プルアップ抵抗251〜253は、コイル211〜213の各相とバッテリ5の正極とを接続する。
信号生成部83は、上アーム素子121〜123、221〜223、および、下アーム素子124〜126、224〜226のオンオフ作動を制御する制御信号を生成する。
異常検出部84は、全ての上アーム素子121〜123、211〜213および下アーム素子124〜126、224〜226に係る制御信号がオフ指令であり、かつ、モータ回転数Nが所定の回転数閾値Nth未満である場合、各相の端子電圧Vu1、Vv1、Vw1の全相和である第1系統3相和Vt1に基づいて異常検出を行う。
また、異常検出部84は、全ての上アーム素子121〜123、211〜213および下アーム素子124〜126、224〜226に係る制御信号がオフ指令であり、かつ、モータ回転数Nが所定の回転数閾値Nth未満である場合、各相の端子電圧Vu2、Vv2、Vw2の全相和である第2系統3相和Vt2に基づいて異常検出を行う。
同様に、端子電圧Vu2、Vv2、Vw2が第2正側母線265または第2負側母線266の電圧により制限されないモータ回転数範囲において、逆起電力の影響を受けない第2系統3相和Vt2に基づき、第2系統200に係る異常検出を行う。
これにより、イニシャルチェック等の全ての上アーム素子121〜123、221〜223、および下アーム素子124〜126、224〜226に係る制御信号がオフ指令であっても外力によりモータ10が駆動される可能性があるシステムにおいて、逆起電力の影響なく、適切に異常検出を行うことができる。
制御装置1は、モータ10の回転角θに基づいて演算されたモータ回転数Nに基づき、当該モータ回転数Nが回転数閾値Nth未満か否かを判断する。これにより、異常検出の実行可否を適切に判断することができる。
これにより、回転角センサ75が異常であっても、異常検出の実行可否を適切に判断することができる。
異常検出部84は、回転角センサ75が正常でなく、かつ、インバータ120、220ごとに演算された第1端子電圧振幅M1、第2端子電圧振幅M2の比較により、第1端子電圧振幅M1および第2端子電圧振幅M2が正常であると判断された場合、第1端子電圧振幅M1が第1判定可能閾値Mth1未満であるとき、モータ回転数Nが回転数閾値Nth未満であるとみなす。
また、制御装置1は、第2上アーム素子221〜223と高電位側のバッテリ5の正極とを接続する第2正側母線265の電圧である第2母線電圧Vr2を検出する第2母線電圧検出部255を備える。
第1母線電圧Vr1が変動すると、端子電圧Vu1、Vv1、Vw1も変動する。そこで、第1母線電圧Vr1を異常検出に用いることで、より正確に異常検出を行うことができる。
同様に、第2母線電圧Vr2が変動すると、端子電圧Vu2、Vv2、Vw2も変動する。そこで、第2母線電圧Vr2を異常検出に用いることで、より正確に異常検出を行うことができる。
電動パワーステアリング装置2では、全ての上アーム素子121〜123、221〜223、下アーム素子124〜126、224〜226の制御信号がオフ指令であったとしても、運転者によりハンドル91が操舵されると、モータ10が回転する。
本実施形態では、制御信号に応じた電力以外の外力によってモータ10が駆動されることで生じる逆起電力を考慮して異常検出を行うので、ハンドル91が操舵されることによりモータ10が回転したとしても、適切に異常検出を行うことができる。
上記実施形態では、巻線組およびインバータが2つずつ設けられる。他の実施形態では、巻線組およびインバータの数は、1つでもよいし、3つ以上でもよい。
上記実施形態では、回転電機制御装置は、3相であるが、他の実施形態では、4相以上としてもよい。
上記実施形態では、上アーム素子および下アーム素子は、MOSFETにより構成される。他の実施形態では、MOSFET以外の電界効果トランジスタや、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)等としてもよい。
上記実施形態では、母線電圧検出部が設けられる。他の実施形態では、例えば母線電圧を一定とみなせば、母線電圧検出部を省略してもよい。
また、回転角センサを省略してもよい。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
2・・・電動パワーステアリング装置
10・・・モータ(回転電機)
80・・・制御部
120・・・第1インバータ(インバータ)
140・・・第1端子電圧検出部(端子電圧検出部)
151〜153・・・第1プルアップ抵抗(抵抗)
220・・・第2インバータ(インバータ)
240・・・第2端子電圧検出部(端子電圧検出部)
251〜253・・・第2プルアップ抵抗(抵抗)
Claims (4)
- 複数相の巻線(111〜113、211〜213)からなる巻線組(110、210)を有する回転電機(10)を制御する回転電機制御装置(1)であって、
高電位側に接続される上アーム素子(121〜123、221〜223)、および、前記上アーム素子の低電位側に接続される下アーム素子(124〜126、134〜136)を有し、前記回転電機の電力を変換するインバータ(120、220)と、
前記巻線の各相の端子電圧を検出する端子電圧検出部(140、240)と、
前記巻線の各相と電源(5)の正側とを接続する抵抗(151〜153、251〜253)と、
前記回転電機の回転角を検出する回転角センサ(75)と、
前記上アーム素子および前記下アーム素子のオンオフ作動を制御する制御信号を生成する信号生成部(83)、および、全ての前記上アーム素子および前記下アーム素子に係る前記制御信号がオフ指令であり、かつ、前記回転電機の回転数が所定の回転数閾値未満である場合、各相の前記端子電圧の全相和に基づいて異常検出を行う異常検出部(84)を有する制御部(80)と、
を備え、
前記異常検出部は、
前記回転角センサが正常である場合、前記回転角に基づいて演算された前記回転数に基づき、当該回転数が前記回転数閾値未満か否かを判断し、
前記回転角センサが正常でない場合、前記端子電圧の振幅が所定の判定可能閾値未満であるとき、前記回転数が前記回転数閾値未満であるとみなすことを特徴とする回転電機制御装置(1)。 - 前記回転電機は、複数の前記巻線組を有し、
前記インバータは、前記巻線組ごとに設けられ、
前記異常検出部は、
前記回転角センサが正常でなく、かつ、前記インバータごとに演算された前記端子電圧の振幅の比較により前記端子電圧の振幅が正常であると判断された場合、前記端子電圧の振幅が前記判定可能閾値未満であるとき、前記回転数が前記回転数閾値未満であるとみなすことを特徴とする請求項1に記載の回転電機制御装置。 - 前記上アーム素子の高電位側と前記電源の正側とを接続する正側母線(165、265)の電圧である母線電圧を検出する母線電圧検出部(155、255)を備え、
前記異常検出部は、
各相の前記端子電圧の全相和、および、前記母線電圧に基づいて異常検出を行うことを特徴とする請求項1または2に記載の回転電機制御装置。 - 請求項1〜3のいずれか一項に記載の回転電機制御装置と、
運転者による操舵を補助する補助トルクを出力する前記回転電機と、
を備えることを特徴とする電動パワーステアリング装置(2)。
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