JP2022022682A - モータ制御装置、電動アクチュエータ製品及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータ制御の制御周期を高めることなく、モータの高回転状態で発生する回生電流による部品への影響を抑制する。【解決手段】モータ制御装置は、多相インバータにより駆動される多相モータの回転角速度を演算する角速度演算部５０と、回転角速度が閾値以上であるか否かを判定する判定部５１と、ＰＷＭ周期に対する上アームスイッチング素子又は下アームスイッチング素子のオン時間の比であるデューティ比を制御するデューティ制御部５２と、を備える。デューティ制御部５２は、回転角速度が閾値以上である場合に、多相インバータの全相のデューティ比を同一の所定値に固定する。【選択図】図７

Description

本発明は、モータ制御装置、電動アクチュエータ製品及び電動パワーステアリング装置に関する。

モータの駆動方式として、モータコイルへの印加電圧をパルス幅変調するＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）制御が広く用いられている。
下記特許文献１には、電動モータをＰＷＭ制御することにより操舵補助力を付与する電動パワーステアリング装置が記載されている。また、電動モータの発電状態に応じてステアリング機構に逆入力が働いている逆入力状態であるか否かを判定し、逆入力状態を検出したときにステアリング機構の回転を抑制することが記載されている。

特許第５１６８３６２号明細書

モータの回転速度が高くなると、誘起電圧が大きくなるとともに過大な回生電流が発生し、モータ電流が流れる経路上の電気部品や電子部品が影響を受けるおそれがある。例えば、特許文献１に記載されるような電動パワーステアリング装置に設けたモータの場合、運転中の縁石への乗り上げ等の原因により操向車輪に大きな外力が加わり、それによってモータが高速で回わされる状況が想定される。

このような高回転状態における誘起電圧を抑制するようにモータを制御しようとすると、制御周期を高める必要があり演算負荷とコストの増大を招く。
本発明は、上記の事情を鑑みて考案されたものであり、モータ制御の制御周期を高めることなく、モータの高回転状態で発生する回生電流による部品破損を抑制することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様によるモータ制御装置は、上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子とを複数相備えた多相インバータと、多相インバータにより駆動される多相モータの回転角速度を演算する角速度演算部と、回転角速度が閾値以上であるか否かを判定する判定部と、上アームスイッチング素子のオン時間の周期又は下アームスイッチング素子のオン時間の周期であるＰＷＭ周期に対する上アームスイッチング素子又は下アームスイッチング素子のオン時間の比であるデューティ比を制御するデューティ制御部と、を備える。回転角速度が閾値以上であると判定部が判定した場合に、デューティ制御部は、多相インバータの全相のデューティ比を同一の所定値に固定する。

本発明の他の一形態によれば、上記のモータ制御装置と、モータ制御装置によって制御される多相モータと、を備えることを特徴とする電動アクチュエータ製品が与えられる。
本発明の更なる他の一形態によれば、上記のモータ制御装置と、モータ制御装置によって制御される多相モータと、を備え、多相モータによって車両の操舵系に操舵補助力を付与することを特徴とする電動パワーステアリング装置が与えられる。

本発明によれば、モータ制御の制御周期を高めることなく、モータの高回転状態で発生する回生電流による部品劣化を抑制できる。

本実施形態の電動パワーステアリング装置の一例の概要を示す構成図である。 コントローラの機能構成の一例を説明するためのブロック図である。 電流制御部の機能構成の一例を示すブロック図である。 Ｕ相電圧指令値が印加されているＵ相モータ巻線（コイル）の等価回路図である。 （ａ）及び（ｂ）は、低回転状態におけるＵ相電圧指令値の理想値と離散値の波形の一例を示す模式図であり、（ｃ）は理想値と離散値との誤差の波形を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は、高回転状態におけるＵ相電圧指令値の理想値と離散値の波形の一例を示す模式図であり、（ｃ）は理想値と離散値との誤差の波形を示す図である。 ＰＷＭ制御部の機能構成の一例を示すブロック図である。 （ａ）はデューティ指令ゲインの一例を示す図であり、（ｂ）は高回転状態におけるデューティ指令値の変化を示す模式図である。 ゲート信号の第１例を示す図である。 ゲート信号の第２例を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は、第１例のゲート信号が印加された場合に回生電流が流れる経路を示す模式図である。 本実施形態のモータ制御方法の一例のフローチャートである。

本発明の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に示す本発明の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の構成、配置等を下記のものに特定するものではない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

（構成）
図１は、電動パワーステアリング装置の一例の概要を示す構成図である。操向ハンドル１の操舵軸（ステアリングシャフト、ハンドル軸）２は減速機構を構成する減速ギア（ウォームギア）３、ユニバーサルジョイント４ａ及び４ｂ、ピニオンラック機構５、タイロッド６ａ、６ｂを経て、更にハブユニット７ａ、７ｂを介して操向車輪８Ｌ、８Ｒに連結されている。

ピニオンラック機構５は、ユニバーサルジョイント４ｂから操舵力が伝達されるピニオンシャフトに連結されたピニオン５ａと、このピニオン５ａに噛合するラック５ｂとを有し、ピニオン５ａに伝達された回転運動をラック５ｂで車幅方向の直進運動に変換する。
操舵軸２には操舵トルクＴｈを検出するトルクセンサ１０が設けられている。

また、操向ハンドル１の操舵力を補助するモータ２０が減速ギア３を介して操舵軸２に連結されている。モータ２０として、２相以上のモータコイルを有する多相モータが用いられる。本実施形態では、モータ２０が、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル及びＷ相コイルを有する３相ブラシレスモータである場合を例示するが、本発明の多相モータはこれに限定されない。本発明は、２相以上のモータコイルを有する多相モータの制御であれば広く適用できる。
回転角センサ２１は、モータ２０の回転角を検出する。回転角センサ２１は、検出したモータ２０の回転角をコントローラ３０に入力する。

コントローラ３０は、電動パワーステアリング（ＥＰＳ：Electric Power Steering）装置を制御する電子制御装置（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）である。コントローラ３０は、特許請求の範囲に記載の「モータ制御装置」の一例である。
コントローラ３０には、バッテリ１３から電力が供給されるとともに、イグニション（ＩＧＮ）キー１１を経てイグニションキー信号が入力される。

コントローラ３０は、トルクセンサ１０で検出された操舵トルクＴｈに基づいて、操舵補助制御のためのモータ電流の電流指令値である目標アシスト電流を設定する。コントローラ３０は、目標アシスト電流を発生させる電圧指令値をモータ２０の誘起電圧に応じて演算し、電圧指令値によってモータ２０に供給する電流を制御する。

コントローラ３０は、例えば、プロセッサと、記憶装置等の周辺部品とにより構成されるコンピュータを含んでいてよい。プロセッサは、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、やＭＰＵ（Micro-Processing Unit）であってよい。
記憶装置は、半導体記憶装置、磁気記憶装置及び光学記憶装置のいずれかを備えてよい。記憶装置は、レジスタ、キャッシュメモリ、主記憶装置として使用されるＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）等のメモリを含んでよい。
以下に説明するコントローラ３０の機能は、例えばコントローラ３０のプロセッサが、記憶装置に格納されたコンピュータプログラムを実行することにより実現される。

なお、コントローラ３０を、以下に説明する各情報処理を実行するための専用のハードウエアを含んでいてもよい。
例えば、コントローラ３０は、汎用の半導体集積回路中に設定される機能的な論理回路を含んでいてもよい。例えばコントローラ３０はフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ：Field-Programmable Gate Array）等のプログラマブル・ロジック・デバイス（ＰＬＤ：Programmable Logic Device）等を含んでいてもよい。

図２は、コントローラ３０の機能構成の一例を説明するためのブロック図である。コントローラ３０は、トルク制御部３１と、電流制御部３２と、ＰＷＭ制御部３３と、インバータ３４と、モータ電流センサ３５を備える。電流制御部３２は、特許請求の範囲に記載の「電圧指令値演算部」の一例である。
トルク制御部３１は、トルクセンサ１０で検出された操舵トルクＴｈに基づいて、操舵補助制御のためのモータ電流の電流指令値である目標アシスト電流Ｉ＿ｒｅｆを設定する。例えば、トルク制御部３１は、操舵トルクＴｈに対する目標アシスト電流Ｉ＿ｒｅｆを定めたアシストマップに基づいて目標アシスト電流Ｉ＿ｒｅｆを設定してよい。

モータ電流センサ３５は、モータ２０のＵ相コイル、Ｖ相コイル及びＷ相コイルをそれぞれ流れるＵ相電流Ｉｕ＿ａｃｔ、Ｖ相電流Ｉｖ＿ａｃｔ及びＷ相電流Ｉｗ＿ａｃｔを検出して、電流制御部３２に入力する。

電流制御部３２は、トルク制御部３１が設定した目標アシスト電流Ｉ＿ｒｅｆを発生させるＵ相電圧指令値Ｖｕ＿ｒｅｆ、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＿ｒｅｆ及びＷ相電圧指令値Ｖｗ＿ｒｅｆを演算する。
Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＿ｒｅｆ、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＿ｒｅｆ及びＷ相電圧指令値Ｖｗ＿ｒｅｆは、０［Ｖ］を中心とする－Ｖｂａｔ／２～＋Ｖｂａｔ／２の範囲の指令値であってよい。
例えばバッテリ電圧Ｖｂａｔが１２［Ｖ］である場合には、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＿ｒｅｆ、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＿ｒｅｆ及びＷ相電圧指令値Ｖｗ＿ｒｅｆは、０［Ｖ］を中心とする－６～＋６［Ｖ］の範囲の指令値であってよい。

図３は、電流制御部３２の機能構成の一例を示すブロック図である。電流制御部３２は、角速度演算部４０と、ｄ軸電流指令値演算部４１と、２相／３相変換部４２と、減算器４３、４４及び４５と、ＰＩＤ補償器４６、４７及び４８を備える。
角速度演算部４０は、回転角センサ２１が検出したモータ２０の回転角θｍを時間微分して、モータ２０の回転角速度（回転速度）ωｍを演算する。
ｄ軸電流指令値演算部４１は、電流制御部３２が設定した目標アシスト電流Ｉ＿ｒｅｆと回転角速度ωｍとに基づいてｄ軸目標電流Ｉｄを算出する。

２相／３相変換部４２は、目標アシスト電流Ｉ＿ｒｅｆをｑ軸目標電流Ｉｑとして入力し、ｄ軸電流指令値演算部４１が演算したｄ軸目標電流Ｉｄを入力する。
２相／３相変換部４２は、モータ２０の回転角θｍに基づいて、ｑ軸目標電流Ｉｑ及びｄ軸目標電流Ｉｄを、Ｕ相電流指令値Ｉｕ＿ｒｅｆ、Ｖ相電流指令値Ｉｖ＿ｒｅｆ及びＷ相電流指令値Ｉｗ＿ｒｅｆへと変換する。

減算器４３は、Ｕ相電流Ｉｕ＿ａｃｔに対するＵ相電流指令値Ｉｕ＿ｒｅｆの電流偏差ΔＩｕ＝Ｉｕ＿ｒｅｆ－Ｉｕ＿ａｃｔを演算する。
減算器４４は、Ｖ相電流Ｉｖ＿ａｃｔに対するＶ相電流指令値Ｉｖ＿ｒｅｆの電流偏差ΔＩｖ＝Ｉｖ＿ｒｅｆ－Ｉｖ＿ａｃｔを演算する。
減算器４５は、Ｗ相電流Ｉｗ＿ａｃｔに対するＷ相電流指令値Ｉｗ＿ｒｅｆの電流偏差ΔＩｗ＝Ｉｗ＿ｒｅｆ－Ｉｗ＿ａｃｔを演算する。

ＰＩＤ補償器４６、４７及び４８は、電流偏差ΔＩｕ、ΔＩｖ及びΔＩｗをそれぞれ０とするようなＵ相電圧指令値Ｖｕ＿ｒｅｆ、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＿ｒｅｆ及びＷ相電圧指令値Ｖｗ＿ｒｅｆをＰＩＤ（Proportional-Integral-Differential）制御に基づいて演算する。
なお、本発明は、ＰＩＤ制御に限られず、Ｐ（Proportional）制御、Ｉ（Integral）制御、Ｄ(Differential）制御の少なくとも１つを含むフィードバック制御に基づいて電圧指令値Ｖｕ＿ｒｅｆ、Ｖｖ＿ｒｅｆ及びＶｗ＿ｒｅｆを演算してもよい。

図２を再び参照する。ＰＷＭ制御部３３は、電圧指令値Ｖｕ＿ｒｅｆ、Ｖｖ＿ｒｅｆ及びＶｗ＿ｒｅｆに基づいて、ＰＷＭ制御によりインバータ３４を駆動する。
インバータ３４は、Ｕ相上アームスイッチング素子Ｑ１と、Ｕ相下アームスイッチング素子Ｑ２と、Ｖ相上アームスイッチング素子Ｑ３と、Ｖ相下アームスイッチング素子Ｑ４と、Ｗ相上アームスイッチング素子Ｑ５と、Ｗ相下アームスイッチング素子Ｑ６と、を備える。以下の説明において、これらの素子Ｑ１～Ｑ６を総称して「スイッチング素子」と表記することがある。

また、Ｕ相上アームスイッチング素子Ｑ１とＵ相下アームスイッチング素子Ｑ２とを総称して「Ｕ相スイッチング素子」と表記し、Ｖ相上アームスイッチング素子Ｑ３とＶ相下アームスイッチング素子Ｑ４とを総称して「Ｖ相スイッチング素子」と表記し、Ｗ相上アームスイッチング素子Ｑ５とＷ相下アームスイッチング素子Ｑ６とを総称して「Ｗ相スイッチング素子」と表記することがある。

また、Ｕ相上アームスイッチング素子Ｑ１とＶ相上アームスイッチング素子Ｑ３とＷ相上アームスイッチング素子Ｑ５とを総称して「上アームスイッチング素子」と表記することがある。Ｕ相下アームスイッチング素子Ｑ２とＶ相下アームスイッチング素子Ｑ４とＷ相下アームスイッチング素子Ｑ６とを総称して「下アームスイッチング素子」と表記することがある。
本実施形態では、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６が電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）である場合を例示するが、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６は、他の種類のスイッチング素子（例えばパワー半導体スイッチング素子）であってもよい。

ＰＷＭ制御部３３は、電流制御部３２が演算した電圧指令値Ｖｕ＿ｒｅｆ、Ｖｖ＿ｒｅｆ及びＶｗ＿ｒｅｆに基づいて、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６をオンオフする。本例ではＰＷＭ制御部３３は、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６をそれぞれオンオフするゲート信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ及びＷＬを生成して、ＦＥＴであるスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のゲート端子にそれぞれ印加する。ＰＷＭ制御部３３の詳細については後述する。

次に、本実施形態におけるモータ制御の特徴について説明する。
上記のとおりモータ２０の回転速度が高くなると、誘起電圧が大きくなるとともに過大な回生電流が発生し、モータ電流が流れる経路上の電気部品や電子部品が破損してしまうおそれがある。
このような電気部品や電子部品には、例えば、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のほか、モータ電流センサ３５や、バッテリ１３とインバータ３４との間に設けられる図示しない電流遮断用のスイッチング素子や逆接続防止素子がある。

例えば、本実施形態のように電動パワーステアリング装置に使用されるモータの場合においては、操向ハンドル１の一般的な回転速度の最大値は、緊急回避等を考慮しても約３０［ｒａｄ／秒］程度である。減速ギア３の減速比が２０であると仮定すると、モータ２０の回転速度は約６０００［ｒｐｍ］程度になる。

また、モータ２０を８極１２スロットのモータとすると、モータ機械角１回転あたりのモータ電気角は４回転となる。このため、操向ハンドル１の回転速度が３０［ｒａｄ／秒］であるとき、モータ電気角の回転周波数は、６０００／６０×４＝４００［Ｈｚ］となり、回転周期は回転周波数の逆数であるため２．５［ミリ秒、以下、ｍｓと表記］＝２５００［マイクロ秒、以下、μｓと表記］となる。したがって、モータ２０を正弦波通電駆動する場合には、２．５［ｍｓ］＝２５００[μｓ]の周期で変動するデューティ指令値を生成する。

ここで、例えばトルクセンサ１０、モータ電流センサ３５、回転角センサ２１の検出周期が２５０［μｓ］であり、デューティ指令値の出力周期が２５０［μｓ］であると仮定する。
この構成では、デューティ指令値の１周期（２．５［ｍｓ］＝２５００［μｓ］）あたり、１０回の電流検出とデューティ指令値の更新が可能であり、電流制御をモータ回転に追従させることができる。

一方で、車両走行中の事故や縁石乗り上げなど、非常に強い衝撃が操向車輪に入力された場合、上記３０［ｒａｄ／秒］よりも早い回転速度を考慮する必要がある（ここでは、最大約１５０［ｒａｄ／秒］と仮定する）。この場合に、モータ２０の回転速度は、約３００００［ｒｐｍ］となり、モータ電気角の回転周期は約５００［μｓ］となる。
したがって、モータ電気角１周期あたりの電流検出及びデューティ指令値更新の回数が２回程度となり、正確に電流制御をモータ回転に追従させることが困難になる。

このような状態では、モータ２０の回転に伴って設定したデューティ指令値が、モータ２０の誘起電圧に追従できなくなり、過大な誘起電圧が発生するおそれがある。その理由を、Ｕ相を例示して以下に説明する。
図４は、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＿ｒｅｆが印加されているＵ相モータ巻線（コイル）の等価回路図である。

いま、Ｕ相モータコイルのインダクタンス及び巻線抵抗がそれぞれＬ及びＲであり、Ｕ相モータコイルが誘起電圧Ｖｅｍｆを生じている場合を想定する。Ｕ相モータコイルにＵ相電流指令値Ｉｕ＿ｒｅｆの目標電流が流れるためには、誘起電圧Ｖｅｍｆに見合った次式（１）のＵ相電圧指令値Ｖｕ＿ｒｅｆを出力する必要がある。

Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＿ｒｅｆの理想値の波形を、図５（ａ）及び図６（ａ）に模式的に示す。図５（ａ）及び図６（ａ）は、それぞれ低回転状態と高回転状態における波形を示す。
しかしながら、コントローラ３０における信号処理は離散時間で行われる。このため、電流制御部３２から実際に出力されるＵ相電圧指令値Ｖｕ＿ｒｅｆは、図５（ｂ）及び図６（ｂ）に示すような離散値になる。この結果、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＿ｒｅｆの理想値と離散値の間には、図５（ｃ）及び図６（ｃ）に示すような誤差が発生する。

図５（ａ）～図５（ｃ）から分かるように、低回転状態では誤差が小さくなる。このため、誘起電圧Ｖｅｍｆに見合ったＵ相電圧指令値Ｖｕ＿ｒｅｆを出力できる。
一方で高回転状態では、図６（ａ）～図６（ｃ）から分かるように誤差が大きくなり、誘起電圧Ｖｅｍｆに見合ったＵ相電圧指令値Ｖｕ＿ｒｅｆを出力することができない。
この結果、誘起電圧Ｖｅｍｆに追従できないＵ相電圧指令値Ｖｕ＿ｒｅｆが誘起電圧Ｖｅｍｆに重畳され、タイミングによっては過大な回生電流が発生する可能性がある。

このような高回転状態において誘起電圧Ｖｅｍｆに対応するには、例えばモータ制御の制御周期を高めて、制御対象とする回転速度の上限を高めるといった処置が考えられる。しかしながら、そのためには処理能力がより高いコントローラを要し、コスト増大などの問題を招く。
そこで、本実施形態のコントローラ３０は、モータ制御の制御周期を高めることなく、高回転状態においてデューティ比を固定することにより回生電流を抑制する。

本実施形態のコントローラ３０は、モータ２０の回転角速度ωｍが所定の閾値以上であるか否かを判定し、回転角速度ωｍが閾値以上である場合に、インバータ３４の全ての相（すなわちＵ相、Ｖ相及びＷ相）のデューティ比を同一の所定値に固定する。言い換えれば、モータ２０の電気角が複数回回転する期間に亘って、インバータ３４のＵ相、Ｖ相及びＷ相のデューティ比を全て同一値に固定する。なお、モータ２０の回転角速度ωｍの閾値ωｍ＿ｔｈは、通常操舵で考慮すべき最大の回転数よりも高く、かつ、まだ制御が可能な回転数より低い値に設定することが望ましい。例えば、閾値ωｍ＿ｔｈは、６０００～１００００ｒｐｍの間の値であってよい。

ここで「デューティ比」は、ＰＷＭ周期を分母とし、上アームスイッチング素子がオン状態且つ下アームスイッチング素子がオフ状態である期間を分子とする比率である。または「デューティ比」は、ＰＷＭ周期を分母とし、上アームスイッチング素子がオフ状態且つ下アームスイッチング素子がオン状態である期間を分子とする比率であってもよい。
以下の説明において、上アームスイッチング素子がオン状態且つ下アームスイッチング素子がオフ状態である期間を「上アームスイッチング素子のオン時間」と表記することがある。また、上アームスイッチング素子がオフ状態且つ下アームスイッチング素子がオン状態である期間を「下アームスイッチング素子のオン時間」と表記することがある。

また「ＰＷＭ周期」は、上アームスイッチング素子のオン時間の周期である。または下アームスイッチング素子のオン時間の周期である。
本実施形態では「ＰＷＭ周期」が、上アームスイッチング素子の連続する１回のオン時間と、下アームスイッチング素子の連続する１回のオン時間と、の合計と等しい。
または、上アームスイッチング素子のオン時間と下アームスイッチング素子のオン時間との間にデッドタイムが挿入される場合には、上アームスイッチング素子の連続する１回のオン時間と下アームスイッチング素子の連続する１回のオン時間との合計に、２回分のデッドタイムを加えた和と等しくてもよい。デッドタイムは、同じ相の上アームスイッチング素子と下スイッチング素子の両方をオフ状態にする期間である。

このように、回転角速度ωｍが閾値以上である場合に、インバータ３４の全ての相（すなわちＵ相、Ｖ相及びＷ相）のデューティ比を同一の所定値に固定することにより、インバータ３４からモータ２０の入力端子に印加される等価的な平均印加電圧が、一定の値に固定される。
この状態では、モータ電流は誘起電圧Ｖｅｍｆのみによって変動する。このため、上記の様に高回転状態で誘起電圧Ｖｅｍｆに追従できないまま制御されたインバータ３４の出力電圧が誘起電圧Ｖｅｍｆに重畳して過大な回生電流が発生することを抑制できる。この結果、モータ電流が流れる経路上の電気部品や電子部品が破損するのを抑制できる。

ここで、誘起電圧Ｖｅｍｆはモータ２０の回転速度の上昇に伴って上昇する。しかしながら、モータ２０の回転速度の上昇に伴ってモータコイルのリアクタンスも上昇するため回生電流の増加が飽和する。したがって、飽和した回生電流に耐えられる部品とモータコイルを選定することにより、これら部品への好ましくないダメージを回避できる。

上記のデューティ指令値の制御は、ＰＷＭ制御部３３によって実行される。以下、本実施形態のＰＷＭ制御部３３について説明する。図７は、ＰＷＭ制御部３３の機能構成の一例を示すブロック図である。
ＰＷＭ制御部３３は、角速度演算部５０と、ゲイン設定部５１と、デューティ制御部５２と、ゲート信号生成部５３を備える。ゲイン設定部５１は、特許請求の範囲に記載の「判定部」の一例であり、ゲイン設定部５１、デューティ制御部５２及びゲート信号生成部５３は、特許請求の範囲に記載の「デューティ制御部」の一例である。

角速度演算部５０は、回転角センサ２１が検出したモータ２０の回転角θｍを時間微分して、モータ２０の回転角速度（回転速度）ωｍを演算する。なお、図３を参照して説明した電流制御部３２の角速度演算部４０と、図７を参照して説明したＰＷＭ制御部３３の角速度演算部５０とを別個に設けてもよく、単一の角速度演算部を設けて兼用してもよい。

ゲイン設定部５１は、回転角速度ωｍに応じて、デューティ比を制御するデューティ指令ゲインＧを設定する。
具体的には、ゲイン設定部５１は、回転角速度ωｍが閾値以上であるか否かを判定する。回転角速度ωｍが閾値以上でない場合には、ゲイン設定部５１は、デューティ指令ゲインＧの値を「１」に設定する。回転角速度ωｍが閾値以上である場合に、ゲイン設定部５１は、デューティ指令ゲインＧの値を「０」に設定する。

デューティ制御部５２は、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＿ｒｅｆとデューティ指令ゲインＧに応じて、Ｕ相デューティ指令値ｄ＿ｕを演算する。また、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＿ｒｅｆとデューティ指令ゲインＧに応じて、Ｖ相デューティ指令値ｄ＿ｖを演算する。Ｗ相電圧指令値Ｖｗ＿ｒｅｆとデューティ指令ゲインＧに応じて、Ｗ相デューティ指令値ｄ＿ｗを演算する。

例えばデューティ制御部５２は、次式（２）～（４）に従って、Ｕ相デューティ指令値ｄ＿ｕ［％］、Ｖ相デューティ指令値ｄ＿ｖ［％］及びＷ相デューティ指令値ｄ＿ｗ［％］をそれぞれ演算する。
ｄ＿ｕ＝（Ｇ×Ｖｕ＿ｒｅｆ＋Ｖｂａｔ／２）／Ｖｂａｔ×１００ …（２）
ｄ＿ｖ＝（Ｇ×Ｖｖ＿ｒｅｆ＋Ｖｂａｔ／２）／Ｖｂａｔ×１００ …（３）
ｄ＿ｗ＝（Ｇ×Ｖｗ＿ｒｅｆ＋Ｖｂａｔ／２）／Ｖｂａｔ×１００ …（４）

上式（２）～（４）から明らかなように、デューティ指令ゲインＧの値が「１」である場合（回転角速度ωｍが閾値以上でない場合）には、Ｕ相デューティ指令値ｄ＿ｕ（～１００％）は、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＿ｒｅｆ（±Ｖｂａｔ／２）に対応する値となる。
すなわち、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＿ｒｅｆがＶｂａｔ／２である場合には、Ｕ相デューティ指令値ｄ＿ｕは１００％となり、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＿ｒｅｆが－Ｖｂａｔ／２である場合には、Ｕ相デューティ指令値ｄ＿ｕは０％となる。Ｖ相デューティ指令値ｄ＿ｖ及びＷ相デューティ指令値ｄ＿ｗについても同様である。

一方で、デューティ指令ゲインＧの値が「０」である場合（回転角速度ωｍが閾値以上である場合）には、Ｕ相デューティ指令値ｄ＿ｕ、Ｖ相デューティ指令値ｄ＿ｖ及びＷ相デューティ指令値ｄ＿ｗは、全て同一の所定値に固定される。一例として、前述の同一の所定値を５０［％］にすることができる。
これにより、回転角速度ωｍが閾値以上である場合に、インバータ３４の全ての相（すなわちＵ相、Ｖ相及びＷ相）のデューティ比を同一の所定値に固定することができる。

ゲート信号生成部５３は、Ｕ相デューティ指令値ｄ＿ｕ、Ｖ相デューティ指令値ｄ＿ｖ及びＷ相デューティ指令値ｄ＿ｗで指定されたデューティ比で、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６を正弦波通電駆動（１８０度通電駆動）するゲート信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ及びＷＬを生成する。

なお、ゲイン設定部５１は、モータ２０の回転角速度ωｍが閾値以上であると判定した場合に、デューティ指令ゲインＧの値を「１」から「０」へ直接切り替えてもよく、「１」から「０」へ徐変させてもよい。
例えば、ゲイン設定部５１は、モータ２０の回転角速度ωｍが閾値以上であると判定した場合に、回転角速度ωｍの上昇にしたがってデューティ指令ゲインＧの値を「１」から「０」へ徐変させてもよい。これにより、Ｕ相デューティ指令値ｄ＿ｕ、Ｖ相デューティ指令値ｄ＿ｖ及びＷ相デューティ指令値ｄ＿ｗは、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＿ｒｅｆ、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＿ｒｅｆ及びＷ相電圧指令値Ｖｗ＿ｒｅｆに対応する値から所定値５０［％］へ徐変する。

図８（ａ）は、回転角速度ωｍの上昇にしたがって徐変するデューティ指令ゲインＧの一例を示す図である。モータ２０の回転角速度ωｍが第１閾値ω１未満の場合にデューティ指令ゲインＧの値は１であり、モータ２０の回転角速度ωｍが第２閾値ω２以上の場合にデューティ指令ゲインＧの値は０である。
モータ２０の回転角速度ωｍが第１閾値ω１以上第２閾値ω２未満の範囲では、回転角速度ωｍの上昇にしたがってデューティ指令ゲインＧは徐変する。例えば第１閾値ω１は６０００［ｒｐｍ］であってよく、第２閾値ω２は１００００［ｒｐｍ］であってよい。

なお、ゲイン設定部５１は、回転角速度ωｍの上昇にしたがってデューティ指令ゲインＧの値を「１」から「０」へ徐変させるのに代えて、時間経過にしたがってデューティ指令ゲインＧの値を「１」から「０」へ徐変させてもよい。例えば、ゲイン設定部５１は、所定長の期間に亘ってデューティ指令ゲインＧの値を「１」から「０」へ徐変させてもよい。

図８（ｂ）は、デューティ指令ゲインＧが「１」から「０」へ徐変する際のＵ相デューティ指令値ｄ＿ｕ、Ｖ相デューティ指令値ｄ＿ｖ及びＷ相デューティ指令値ｄ＿ｗの変化を示す模式図である。実線はＵ相デューティ指令値ｄ＿ｕを示し、破線はＶ相デューティ指令値ｄ＿ｖを示し、一点鎖線はＷ相デューティ指令値ｄ＿ｗを示す。

時刻ｔ１にてデューティ指令ゲインＧが「１」から減少を開始している。時刻ｔ２にてデューティ指令ゲインＧが「０」になり、Ｕ相デューティ指令値ｄ＿ｕ、Ｖ相デューティ指令値ｄ＿ｖ及びＷ相デューティ指令値ｄ＿ｗが所定値５０［％］に固定されている。
例えば、時刻ｔ１は回転角速度ωｍが第１閾値ω１まで上昇した時刻であってよく、時刻ｔ２は回転角速度ωｍが第２閾値ω２まで上昇した時刻であってよい。

また、Ｕ相デューティ指令値ｄ＿ｕ、Ｖ相デューティ指令値ｄ＿ｖ及びＷ相デューティ指令値ｄ＿ｗが所定値に固定された場合に、ゲート信号生成部５３は、上アームスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３及びＱ５のオン時間が等しくなり、下アームスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４及びＱ６のオン時間が等しくなるように、ゲート信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ及びＷＬを生成してよい。

すなわち、ゲート信号生成部５３は、全相の上アームスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３及びＱ５を同時にオンオフし、全相の下アームスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４及びＱ６を同時にオンオフしてよい。
図９は、上アームスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３及びＱ５のオン時間が等しく、下アームスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４及びＱ６のオン時間が等しい場合のゲート信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ及びＷＬの一例を示す図である。

これに代えて、ゲート信号生成部５３は、Ｕ相デューティ指令値ｄ＿ｕ、Ｖ相デューティ指令値ｄ＿ｖ及びＷ相デューティ指令値ｄ＿ｗが所定値に固定された場合に、上アームスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３及びＱ５のオン時間が一致せず、下アームスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４及びＱ６のオン時間が一致しないように、ゲート信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ及びＷＬを生成してもよい。
図１０は、上アームスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３及びＱ５のオン時間が一致せず、下アームスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４及びＱ６のオン時間が一致しない場合のゲート信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ及びＷＬの一例を示す図である。

図９に示すように上アームスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３及びＱ５のオン時間が等しく、下アームスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４及びＱ６のオン時間が等しい場合には、回生電流の経路は、モータ２０のモータコイルとインバータ３４内のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のみに流れる経路となる。
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、上アームスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３及びＱ５のオン時間が等しく、下アームスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４及びＱ６のオン時間が等しい場合の回生電流が流れる経路を示す模式図である。

上アームスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３及びＱ５が全てオンである期間には、回生電流は、図１１（ａ）の破線に示すようにモータ２０のモータコイルと上アームスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３及びＱ５のみを流れる。
また、下アームスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４及びＱ６が全てオンである期間には、回生電流は、図１１（ｂ）の破線に示すようにモータ２０のモータコイルと下アームスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４及びＱ６のみを流れる。

このため、インバータ３４の外の部品、例えばバッテリ１３とインバータ３４との間に設けられる電流遮断用のスイッチング素子や逆接続防止素子には回生電流が流れないため、回生電流によるこれらの部品の破損を回避できる。
また、上述の通り、モータ２０の回転速度上昇に伴う回生電流の増加はモータコイルのリアクタンスによって飽和する。このため、飽和した回生電流に耐えられるスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６とモータコイルを選定することにより、これらの部品に及ぼす好ましくないダメージも回避できる。

（動作）
図１２は、本実施形態のモータ制御方法の一例のフローチャートである。
ステップＳ１においてトルクセンサ１０は、操舵軸２に加えられた操舵トルクＴｈを検出する。
ステップＳ２においてコントローラ３０のトルク制御部３１は、操舵トルクＴｈに基づいて、操舵補助制御のためのモータ電流の電流指令値である目標アシスト電流Ｉ＿ｒｅｆを設定する。

ステップＳ３において回転角センサ２１は、モータ２０の回転角θｍを検出する。
ステップＳ４において電流制御部３２は、目標アシスト電流Ｉ＿ｒｅｆと、Ｕ相電流Ｉｕ＿ａｃｔ、Ｖ相電流Ｉｖ＿ａｃｔ及びＷ相電流Ｉｗ＿ａｃｔと、回転角θｍに基づいて、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＿ｒｅｆ、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＿ｒｅｆ及びＷ相電圧指令値Ｖｗ＿ｒｅｆを演算する。

ステップＳ５においてＰＷＭ制御部３３の角速度演算部５０は、モータ２０の回転角速度ωｍを演算する。
ステップＳ６においてゲイン設定部５１は、回転角速度ωｍが閾値以上であるか否かを判定する。回転角速度ωｍが閾値以上でない場合（ステップＳ６：Ｎ）に処理はステップＳ７へ進む。回転角速度ωｍが閾値以上である場合（ステップＳ６：Ｙ）に処理はステップＳ８へ進む。

ステップＳ７においてゲイン設定部５１は、デューティ指令ゲインＧの値を「１」に設定する。その後に処理はステップＳ９へ進む。
ステップＳ８においてゲイン設定部５１は、回転角速度ωｍに応じてデューティ指令ゲインＧを低減する。例えばゲイン設定部５１は、デューティ指令ゲインＧの値を「０」に設定してよい。また、回転角速度ωｍの上昇にしたがってデューティ指令ゲインＧの値を「１」から「０」へ徐変させてもよい。その後に処理はステップＳ９へ進む。

ステップＳ９においてデューティ制御部５２は、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＿ｒｅｆ、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＿ｒｅｆ及びＷ相電圧指令値Ｖｗ＿ｒｅｆとデューティ指令ゲインＧに基づいて、Ｕ相デューティ指令値ｄ＿ｕ、Ｖ相デューティ指令値ｄ＿ｖ及びＷ相デューティ指令値ｄ＿ｗを演算する。
ステップＳ１０においてゲート信号生成部５３は、Ｕ相デューティ指令値ｄ＿ｕ、Ｖ相デューティ指令値ｄ＿ｖ及びＷ相デューティ指令値ｄ＿ｗで指定されたデューティ比で、インバータ３４のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６を正弦波通電駆動（１８０度通電駆動）する。その後に処理は終了する。

（変形例）
（１）上記の実施形態において、回転角速度ωｍが閾値以上であると判定された場合、ＰＷＭ制御部３３は、インバータ３４の全ての相（すなわちＵ相、Ｖ相及びＷ相）のデューティ比を所定値５０［％］に固定したが、５０［％］以外の値に固定してもよい。すなわち、所定値は０～１００［％］の範囲内の任意の値であってよい。
例えば、所定値を１００［％］として上アームスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３及びＱ５をオン状態に固定し下アームスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４及びＱ６をオフ状態に固定してもよい。または、所定値を０［％］として下アームスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４及びＱ６をオン状態に固定し、上アームスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３及びＱ５をオフ状態に固定してもよい。

（２）上記の実施形態において、デューティ制御部５２は、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＿ｒｅｆ、Ｖ相デューティ指令値ｄ＿ｖ及びＷ相デューティ指令値ｄ＿ｗにデューティ指令ゲインＧを乗算してＵ相デューティ指令値ｄ＿ｕ、Ｖ相デューティ指令値ｄ＿ｖ及びＷ相デューティ指令値ｄ＿ｗを演算したが、本発明はこれに限定されるものではない。
デューティ制御部５２は、回転角速度ωｍが閾値以上であると判定された場合に、Ｕ相デューティ指令値ｄ＿ｕ、Ｖ相デューティ指令値ｄ＿ｖ及びＷ相デューティ指令値ｄ＿ｗを所定値に固定すれば足りる。

例えば、デューティ制御部５２は、Ｕ相デューティ指令値ｄ＿ｕ、Ｖ相デューティ指令値ｄ＿ｖ及びＷ相デューティ指令値ｄ＿ｗを上下限値で制限してもよい。例えば、回転角速度ωｍの上昇にしたがって０［％］から所定値まで増加する下限値と１００［％］から所定値まで減少する上限値とによりＵ相デューティ指令値ｄ＿ｕ、Ｖ相デューティ指令値ｄ＿ｖ及びＷ相デューティ指令値ｄ＿ｗを制限してよい。

（３）上記の実施形態では、回転角速度ωｍが閾値未満の場合にインバータ３４を正弦波通電駆動したが、本発明はこれに限定されるものではない。回転角速度ωｍが閾値未満である間の駆動方式は他の方式であってもよい。
例えば、回転角速度ωｍが閾値未満の場合にインバータ３４を矩形波通電駆動（１２０度通電駆動）し、回転角速度ωｍが閾値以上の場合に上記の定義のデューティ比を所定値に固定してもよい。

（実施形態の効果）
（１）コントローラ３０のインバータ３４は、上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子とを複数相備える。角速度演算部５０は、インバータ３４により駆動されるモータ２０の回転角速度を演算する。ゲイン設定部５１は、回転角速度が閾値以上であるか否かを判定する。デューティ制御部５２は、上アームスイッチング素子のオン時間の周期又は下アームスイッチング素子のオン時間の周期であるＰＷＭ周期に対する上アームスイッチング素子又は下アームスイッチング素子のオン時間の比であるデューティ比を制御する。

ＰＷＭ周期は、上アームスイッチング素子のオン時間及び下アームスイッチング素子のオン時間の合計又は当該合計にデッドタイムを加えた和に等しい。
回転角速度が閾値以上であると判定された場合に、ゲイン設定部５１、デューティ制御部５２及びゲート信号生成部５３は、多相インバータの全相のデューティ比を同一の所定値に固定する。
これにより、モータ２０が高速で回転している間に過大な回生電流が発生するのを抑制し、モータ電流が流れる経路上の電気部品や電子部品が劣化するのを抑制できる。

（２）回転角速度が閾値以上であると判定された場合に、ゲイン設定部５１、デューティ制御部５２及びゲート信号生成部５３は、全相の上アームスイッチング素子を同時にオンオフし、全相の下アームスイッチング素子を同時にオンオフしてもよい。
これにより、回生電流の経路を、モータ２０のモータコイルとインバータ３４内のスイッチング素子のみに流れる経路に制限できる。このため、インバータ３４の外の部品が回生電流の影響を受けることを回避できる。
また、モータ２０の回転速度上昇に伴う回生電流の増加はモータコイルのリアクタンスによって飽和するため、飽和した回生電流に耐えられるスイッチング素子とモータコイルを選定することにより、これらの部品に及ぼす好ましくない影響も回避できる。

（３）所定値は０パーセント、５０パーセント又は１００パーセントの何れかであってよい。
これにより、インバータ３４の全相のデューティ比を同一の所定値に固定することが容易になる。

（４）コントローラ３０は、モータ２０の各相にそれぞれ印加する相電圧の指令値である相電圧指令値を演算する電流制御部３２を更に備えてもよい。ゲイン設定部５１、デューティ制御部５２及びゲート信号生成部５３は、相電圧指令値とデューティ指令ゲインＧとの積に応じてデューティ比を設定し、回転角速度が閾値以上であると判定された場合にデューティ指令ゲインＧを０にしてよい。
これにより、回転角速度が閾値以上であると判定された場合にデューティ比を所定値に固定できる。

（５）コントローラ３０は、モータ２０の各相にそれぞれ印加する相電圧の指令値である相電圧指令値を演算する電流制御部３２を更に備えてもよい。
ゲイン設定部５１、デューティ制御部５２及びゲート信号生成部５３は、回転角速度が閾値以上であると判定された場合に、回転角速度の上昇にしたがってデューティ比を相電圧指令値に対応する値から所定値へと徐変してよい。
これにより、モータ２０のモータ電流制御の連続性が確保され、モータ２０の回転速度の急変を回避できる。

１…操向ハンドル、２…操舵軸、３…減速ギア、４ａ、４ｂ…ユニバーサルジョイント、５…ピニオンラック機構、５ａ…ピニオン、５ｂ…ラック、６ａ、６ｂ…タイロッド、７ａ、７ｂ…ハブユニット、８Ｌ、８Ｒ…操向車輪、１０…トルクセンサ、１１…キー、１３…バッテリ、２０…モータ、２１…回転角センサ、３０…コントローラ、３１…トルク制御部、３２…電流制御部、３３…ＰＷＭ制御部、３４…インバータ、３５…モータ電流センサ、４０、５０…角速度演算部、４１…ｄ軸電流指令値演算部、４２…２相／３相変換部、４３、４４、４５…減算器、４６、４７、４８…ＰＩＤ補償器、５１…ゲイン設定部、５２…デューティ制御部、５３…ゲート信号生成部

Claims (7)

1. 上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子とを複数相備えた多相インバータと、
   前記多相インバータにより駆動される多相モータの回転角速度を演算する角速度演算部と、
   前記回転角速度が閾値以上であるか否かを判定する判定部と、
   前記上アームスイッチング素子のオン時間の周期又は前記下アームスイッチング素子のオン時間の周期であるＰＷＭ周期に対する前記上アームスイッチング素子又は前記下アームスイッチング素子のオン時間の比であるデューティ比を制御するデューティ制御部と、
   を備え、
   前記ＰＷＭ周期は、前記上アームスイッチング素子のオン時間及び前記下アームスイッチング素子のオン時間の合計又は当該合計にデッドタイムを加えた和に等しく、
   前記回転角速度が前記閾値以上であると前記判定部が判定した場合に、前記デューティ制御部は、前記多相インバータの全相のデューティ比を同一の所定値に固定することを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記回転角速度が前記閾値以上であると前記判定部が判定した場合に、前記デューティ制御部は、全相の前記上アームスイッチング素子を同時にオンオフし、全相の前記下アームスイッチング素子を同時にオンオフする、ことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記所定値は０パーセント、５０パーセント又は１００パーセントの何れかであることを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ制御装置。
4. 前記多相モータの各相にそれぞれ印加する相電圧の指令値である相電圧指令値を演算する電圧指令値演算部を更に備え、
   前記デューティ制御部は、前記相電圧指令値とゲインとの積に応じて前記デューティ比を設定し、前記回転角速度が前記閾値以上であると前記判定部が判定した場合に前記ゲインを０にする、
   ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
5. 前記多相モータの各相にそれぞれ印加する相電圧の指令値である相電圧指令値を演算する電圧指令値演算部を更に備え、
   前記デューティ制御部は、前記回転角速度が前記閾値以上であると前記判定部が判定した場合に、前記回転角速度の上昇にしたがって前記デューティ比を前記相電圧指令値に対応する値から前記所定値へと徐変する、
   ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
6. 請求項１～５の何れか一項に記載のモータ制御装置と、
   前記モータ制御装置によって制御される多相モータと、
   を備えることを特徴とする電動アクチュエータ製品。
7. 請求項１～５の何れか一項に記載のモータ制御装置と、
   前記モータ制御装置によって制御される多相モータと、
   を備え、前記多相モータによって車両の操舵系に操舵補助力を付与することを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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