(57)【要約】【課題】駆動信号の電圧が低下したときに、スイッチング素子が熱破壊に至るまでの期間を延長し、電動機のトルクを漸減させるための期間を確保することのできる電動機制御装置を提供する。【解決手段】電圧監視回路１０３は、第１の閾値ＴＨ１と当該第１の閾値よりも低い第２の閾値ＴＨ２とが予め設定されており、昇圧回路１０４ａから供給される昇圧電力Ｐｂの昇圧電圧Ｖｂが第１の閾値ＴＨ１以下に低下したときに、第１の電圧低下信号Ｖｄ１を生成する。制御回路１０２は、第１の電圧低下信号Ｖｄ１を取得したとき、制御信号Ｃｓ１及びＣｓ２のデューティ比を１００％にして、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０６に含まれる第１の上段スイッチング素子Ｈ１又は第２の上段スイッチング素子Ｈ２を常に開状態にする。【選択図】図１
2009011122.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機制御装置であって、
電動機と、
電源から供給される電源電力を昇圧して、昇圧電力を供給する昇圧手段と、
制御信号に応じて開閉状態が切り換えられるスイッチング素子を上段及び下段に直列に接続した２つの直列回路をそれぞれの両端で並列に接続して構成され、前記直列回路のそれぞれの上段及び下段の前記スイッチング素子を互いに接続する接続点から前記電動機へ供給される電動機電流を制御し、前記直列回路のそれぞれ上段に接続されている前記スイッチング素子の前記接続点に対する他端から前記電源電力が供給される電流制御手段と、
少なくとも第１の閾値が予め設定され、前記昇圧電力の電圧を監視し、当該電圧が前記第１の閾値以下に低下したとき、第１の電圧低下信号を生成する電圧監視手段と、
前記制御信号をそれぞれ生成することにより、前記電流制御手段を構成する前記スイッチング素子の開閉状態をそれぞれ制御して前記電動機電流を制御し、前記第１の電圧低下信号を取得したとき、即座に前記直列回路のそれぞれ上段に接続されている前記スイッチング素子を常に開状態にする制御手段と、
前記電流制御手段を構成する上段の前記スイッチング素子にそれぞれ供給される前記制御信号を前記昇圧電力で昇圧する駆動手段とを備える、電動機制御装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記第１の電圧低下信号を取得したとき、即座に前記直列回路のそれぞれ下段に接続されている前記スイッチング素子の開閉状態を制御する前記制御信号のそれぞれのデューティ比をさらにゼロまで漸減させる、請求項１に記載の電動機制御装置。
【請求項３】
前記電圧監視手段は、さらに、前記第１の閾値よりも低い第２の閾値が予め設定され、前記昇圧電力の電圧が前記第２の閾値以下に低下したとき、第２の電圧低下信号を生成し、
前記制御手段は、前記第２の電圧低下信号を取得したとき、即座に前記電流制御手段に含まれる全ての前記スイッチング素子を閉状態にする、請求項２に記載の電動機制御装置。
【請求項４】
前記スイッチング素子は、それぞれＭＯＳトランジスタである、請求項１〜３のいずれかに記載の電動機制御装置。
【請求項５】
前記スイッチング素子は、それぞれ絶縁ゲートバイポーラトランジスタである、請求項１〜３のいずれかに記載の電動機制御装置。
【請求項６】
前記スイッチング素子は、それぞれバイポーラトランジスタである、請求項１〜３のいずれかに記載の電動機制御装置。
【請求項７】
スイッチング素子を上段及び下段に直列に接続した２つの直列回路をそれぞれの両端で並列に接続して構成され、前記直列回路のそれぞれ上段に接続されている前記スイッチング素子の開閉状態を、それぞれ当該スイッチング素子を駆動するのに必要な電圧まで前記昇圧電力で昇圧した複数の制御信号で制御して、電動機へ供給される電動機電流を制御する電動機制御方法であって、
前記昇圧電力の電圧が予め定められた第１の閾値以下に低下したことを示す第１の電圧低下信号を生成するステップと、
前記第１の電圧低下信号を取得したとき、即座に前記直列回路のそれぞれの上段に接続されている前記スイッチング素子を常に開状態にするステップとを備える、電動機制御方法。
【請求項８】
前記第１の電圧低下信号を取得したとき、即座に前記直列回路のそれぞれ下段に接続されているスイッチング素子の開閉状態を制御する前記制御信号のそれぞれのデューティ比をさらにゼロまで漸減させるステップをさらに備える、請求項７に記載の電動機制御方法。
【請求項９】
前記昇圧電力の電圧が前記第１の閾値よりも低く、予め定められた第２の閾値以下に低下したことを示す第２の電圧低下信号を生成するステップと、
前記第２の電圧低下信号を取得したとき、即座に全ての前記スイッチング素子を閉状態にするステップとをさらに備える、請求項８に記載の電動機制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機の駆動回路を制御する制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、バイポーラトランジスタ（Bipolar Transistor）及びＭＯＳトランジスタ（Metal Oxide Semiconductor Transistor）などのスイッチング素子によって構成されるインバータ制御装置やＤＣ−ＤＣコンバータを用いて、電動機の回転数やトルクを制御することが、従来から行われている。
【０００３】
しかしながら、これらのスイッチング素子は、開閉状態が切り換えられるときに、電力の損失を生じることが一般的に知られている。そして、損失した電力は、熱としてスイッチング素子の外部に放出される。また、スイッチング素子の開閉状態を切り換える駆動信号の電圧（例えば、ＭＯＳトランジスタの場合は、ゲート電圧）が、何らかの理由で低下すると、スイッチング素子における電力の損失が増大すると共に発生する熱量が増大する。このため、駆動信号の電圧が低下しているのにも拘わらず電動機の制御を続けると、インバータ制御装置やＤＣ−ＤＣコンバータを構成するスイッチング素子は、自身が発生する熱によって熱破壊してしまう。このようなスイッチング素子の熱破壊を防ぐために、従来から様々な技術が考案されている。
【０００４】
図９は、スイッチング素子の熱破壊を防ぐために考案された特許文献１に記載のインバータ制御装置９０の構成を示すブロック図である。図９に示すインバータ制御装置９０は、商用電源９０１と、整流回路９０２と、第１の電力制御回路９０３と、第２の電力制御回路９０４と、電源電圧低下検出回路９０５と、システム制御回路９０６と、モータ制御回路９０７と、モータ駆動回路９０８と、誘導電動機９０９とを備える。
【０００５】
整流回路９０２は、商用電源９０１から供給される交流電力を整流して直流電力に変換する。第１の電力制御回路９０３は、整流回路９０２によって整流された直流電力の電圧を任意の電圧に変換して、モータ制御回路９０７及びモータ駆動回路９０８に制御電源として供給する。第２の電力制御回路９０４は、商用電源９０１から供給される交流電力を任意の直流電力に変換して、システム制御回路９０６に電源として供給する。電源電圧低下検出回路９０５は、第２の電力制御回路９０４とシステム制御回路９０６とを結ぶ回路上に設けられ、第２の電力制御回路９０４から供給されるシステム制御回路９０６の電源電圧を検出する。
【０００６】
システム制御回路９０６は、装置全体の制御をすると共に、必要なトルクや回転数などを算出して、誘導電動機９０９を任意の回転数又は任意のトルクで回転させるために、モータ制御回路９０７に制御信号を出力する。また、商用電源９０１の電圧が低下して、モータ制御回路９０７から出力される駆動信号の電圧が低下すると、上述したようにスイッチング素子の熱破壊の可能性が生じる。このため、電源電圧低下検出回路９０５によって検出された電源電圧が所定の電圧以下となったときに、システム制御回路９０６は、モータ制御回路９０７にリセット信号を出力する。
【０００７】
モータ制御回路９０７は、第１の電力制御回路９０３から供給される直流電力を電源として、システム制御回路９０６から出力される制御信号に応じて、モータ駆動回路９０８に含まれる複数のスイッチング素子の開閉状態を所定のタイミングでそれぞれ切り換える駆動信号を出力する。また、モータ制御回路９０７は、システム制御回路９０６からリセット信号が入力されると、駆動信号の出力を停止する。
【０００８】
モータ駆動回路９０８は、第１の電力制御回路９０３から供給される直流電力の電圧及び電流の大きさを任意の大きさに変換するための複数のスイッチング素子を含む。そして、モータ駆動回路９０８は、複数のスイッチング素子の開閉状態を、モータ制御回路９０７から出力される駆動信号に応じて所定のタイミングでそれぞれ切り換えて、第１の電力制御回路９０３から供給される直流電力の電圧及び電流を任意の大きさに変換して誘導電動機９０９に供給する。また、モータ制御回路９０７がシステム制御回路９０６からリセット信号を入力されて駆動信号の出力を停止すると、モータ駆動回路９０８に含まれるスイッチング素子の開閉状態の切り換えが停止される。
【０００９】
以上の構成により、特許文献１に記載の技術は、電源電圧低下検出回路９０５が検出した電源電圧に基づいて、第２の電力制御回路９０４から供給される電源電圧が低下したときに、システム制御回路９０６は、商用電源９０１の電圧が低下したと判断する。そして、システム制御回路９０６は、モータ制御回路９０７へリセット信号を出力して、モータ駆動回路９０８に含まれるスイッチング素子の開閉状態の切り換えを停止させることで、スイッチング素子の熱破壊を未然に防ぐことができる。
【特許文献１】特開２００５−３９４０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記従来技術では以下のような問題がある。上記従来技術では、モータ駆動回路９０８に入力される駆動信号の電圧が所定の電圧以下になると、即座にスイッチング素子の開閉状態の切り換えを停止させるため、スイッチング素子が熱破壊に至る前にスイッチング素子の動作を停止させることができる。スイッチング素子の熱破壊を防ぐという観点のみから見ると、上記従来技術のように駆動信号の電圧が所定の電圧以下に低下したときに、即座に電動機を停止させてもよい。
【００１１】
しかし、自動車等の移動体に搭載されている操舵アシスト装置などに上記従来技術をそのまま適用すると、操舵アシスト装置の電動機の駆動回路に入力される駆動信号の電圧が、何らかの理由で所定の電圧以下に低下したとき、即座に電動機が停止してしまう。このため、操舵アシスト装置のアシストトルクが瞬時になくなり、運転者は大きな違和感を覚えてしまう。
【００１２】
本発明は、上記従来の課題を解決するために、駆動信号の電圧が低下したときに、スイッチング素子が熱破壊に至るまでの期間を延長し、電動機のトルクをゼロまで漸減させて運転者の覚える違和感を低減させるための期間を確保することのできる電動機制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明は、以下に示すような特徴を有する。
【００１４】
第１の発明は、電動機制御装置であって、電動機と、電源から供給される電源電力を昇圧して、昇圧電力を供給する昇圧手段と、制御信号に応じて開閉状態が切り換えられるスイッチング素子を上段及び下段に直列に接続した２つの直列回路をそれぞれの両端で並列に接続して構成され、直列回路のそれぞれの上段及び下段のスイッチング素子を互いに接続する接続点から電動機へ供給される電動機電流を制御し、直列回路のそれぞれ上段に接続されているスイッチング素子の接続点に対する他端から電源電力が供給される電流制御手段と、少なくとも第１の閾値が予め設定され、昇圧電力の電圧を監視し、当該電圧が第１の閾値以下に低下したとき、第１の電圧低下信号を生成する電圧監視手段と、制御信号をそれぞれ生成することにより、電流制御手段を構成するスイッチング素子の開閉状態をそれぞれ制御して電動機電流を制御し、第１の電圧低下信号を取得したとき、即座に直列回路のそれぞれ上段に接続されているスイッチング素子を常に開状態にする制御手段と、電流制御手段を構成する上段のスイッチング素子にそれぞれ供給される制御信号を昇圧電力で昇圧する駆動手段とを備える。
【００１５】
第２の発明は、第１の発明において、制御手段は、第１の電圧低下信号を取得したとき、即座に直列回路のそれぞれ下段に接続されているスイッチング素子の開閉状態を制御する制御信号のそれぞれのデューティ比をさらにゼロまで漸減させる。
【００１６】
第３の発明は、第２の発明において、電圧監視手段は、さらに、第１の閾値よりも低い第２の閾値が予め設定され、昇圧電力の電圧が第２の閾値以下に低下したとき、第２の電圧低下信号を生成し、制御手段は、第２の電圧低下信号を取得したとき、即座に電流制御手段に含まれる全てのスイッチング素子を閉状態にする。
【００１７】
第４の発明は、第１〜３のいずれかの発明において、スイッチング素子は、それぞれＭＯＳトランジスタである。
【００１８】
第５の発明は、第１〜３のいずれかの発明において、スイッチング素子は、それぞれ絶縁ゲートバイポーラトランジスタである。
【００１９】
第６の発明は、第１〜３のいずれかの発明において、スイッチング素子は、それぞれバイポーラトランジスタである。
【００２０】
第７の発明は、スイッチング素子を上段及び下段に直列に接続した２つの直列回路をそれぞれの両端で並列に接続して構成され、直列回路のそれぞれ上段に接続されているスイッチング素子の開閉状態を、それぞれ当該スイッチング素子を駆動するのに必要な電圧まで昇圧電力で昇圧した複数の制御信号で制御して、電動機へ供給される電動機電流を制御する電動機制御方法であって、昇圧電力の電圧が予め定められた第１の閾値以下に低下したことを示す第１の電圧低下信号を生成するステップと、第１の電圧低下信号を取得したとき、即座に直列回路のそれぞれの上段に接続されているスイッチング素子を常に開状態にするステップとを備える。
【００２１】
第８の発明は、第７の発明において、第１の電圧低下信号を取得したとき、即座に直列回路のそれぞれ下段に接続されているスイッチング素子の開閉状態を制御する制御信号のそれぞれのデューティ比をさらにゼロまで漸減させるステップをさらに備える。
【００２２】
第９の発明は、第８の発明において、昇圧電力の電圧が第１の閾値よりも低く、予め定められた第２の閾値以下に低下したことを示す第２の電圧低下信号を生成するステップと、第２の電圧低下信号を取得したとき、即座に全てのスイッチング素子を閉状態にするステップとをさらに備える。
【発明の効果】
【００２３】
第１の発明によれば、昇圧手段から供給される昇圧電力の電圧が第１の閾値以下に低下したとき、２つの直列回路のそれぞれ上段に接続されているスイッチング素子を常に開状態にして、それぞれのスイッチング素子において発生するスイッチング損失及びオフ損失をゼロにする。これにより、それぞれの上段のスイッチング素子が熱破壊するまでの期間を延長し、下段のスイッチング素子を制御して電動機のトルクをゼロまで漸減させて運転者の覚える違和感を低減させるための期間を確保することができる。
【００２４】
第２の発明によれば、昇圧手段から供給される昇圧電力の電圧が第１の閾値以下に低下したとき、即座に直列回路のそれぞれ下段に接続されているスイッチング素子を制御する制御信号のそれぞれのデューティ比をさらにゼロまで漸減させる。これにより、電動機を緩やかに停止させることができ、電動機を停止させたときに運転者が覚える違和感を低減することができる。
【００２５】
第３の発明によれば、制御手段は第２の電圧低下信号を取得したとき、直列回路のそれぞれ上段に接続されているスイッチング素子が熱破壊するまでの猶予がないと判断する。このため、制御手段は、第２の電圧低下信号を取得したとき、即座に電流制御手段に含まれるスイッチング素子を全て閉状態にすることで、運転者が覚える違和感を低減しながら、スイッチング素子の熱破壊を確実に防止することができる。
【００２６】
第４の発明によれば、ＭＯＳトランジスタは製作が容易であるため、低コストな電動機制御装置を製作することができる。
【００２７】
第５の発明によれば、電動機の駆動に大電力を必要とする場合でも、絶縁ゲートバイポーラトランジスタを用いることで、大電力の高速スイッチングが可能な電動機制御装置を容易に構成することができる。
【００２８】
第６の発明によれば、一般的に普及しており、入手が容易なバイポーラトランジスタを用いて電動機制御装置を構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電動機制御装置１０の構成を示すブロック図である。尚、本実施形態に係る電動機制御装置１０は、一例として、自動車等の移動体に一般的に搭載されている操舵アシスト装置に搭載されている電動機を制御するための制御装置を想定して、説明をする。
【００３０】
電動機制御装置１０は、電源１０１と、制御回路１０２と、電圧監視回路１０３と、駆動回路１０４と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０５と、電動機１０６とを備える。
【００３１】
電源１０１は、自動車等の移動体にバッテリーとして一般的に搭載されている直流電源であり、直流電力Ｐｄを供給する。
【００３２】
制御回路１０２は、図示しない回転角センサが検出するハンドルの回転角などに基づいて、電動機１０６の回転方向の判断とトルクの大きさの算出とをする。そして、制御回路１０２は、判断した回転方向及び判断した大きさのトルクで電動機１０６が回転するように制御信号Ｃｓ１〜Ｃｓ４をそれぞれ生成して、電動機１０６を制御する。制御信号Ｃｓ１〜Ｃｓ４は、それぞれＤＣ−ＤＣコンバータ１０５に含まれるスイッチング素子の開閉状態を切り換えるタイミングを通知するためのパルス信号である。
【００３３】
電圧監視回路１０３は、駆動回路１０４から供給される昇圧電力Ｐｂの電圧（以下、昇圧電圧Ｖｂという）を常に監視する。電圧監視回路１０３には、第１の閾値ＴＨ１と第１の閾値ＴＨ１よりも低い第２の閾値ＴＨ２との２つの所定の閾値が予め設定されている。そして、電圧監視回路１０３は、昇圧電圧Ｖｂが第１の閾値ＴＨ１以下に低下したとき、第１の電圧低下信号Ｖｄ１を制御回路１０２へ出力する。また、電圧監視回路１０３は、昇圧電圧Ｖｂが第２の閾値ＴＨ２以下に低下したとき、第２の電圧低下信号Ｖｄ２を制御回路１０２へ出力する。
【００３４】
駆動回路１０４は、制御回路１０２から出力される制御信号Ｃｓ１〜Ｃｓ４のそれぞれの電圧を、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０５に含まれるスイッチング素子のそれぞれを駆動するのに必要な電圧まで高めて、それぞれ駆動信号ＳＨ１、ＳＨ２、ＳＬ１及びＳＬ２として出力する。
【００３５】
ＤＣ−ＤＣコンバータ１０５は、駆動回路１０４から出力される駆動信号のそれぞれに応じて、電源１０１から供給される直流電力Ｐｄの電流（以下、電源電流Ａｐという）の大きさと流れる方向とを制御して、モータ電流Ｉmとして電動機１０６へ供給する。
【００３６】
尚、制御回路１０２、駆動回路１０４及びＤＣ−ＤＣコンバータ１０５のより詳細な動作については、後述する。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０５は、後述するように複数のスイッチング素子から構成されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０５を構成するスイッチング素子は、それぞれ外部から入力される駆動信号に応じて回路の開閉状態を切り換えられるものであれば、どのようなスイッチング素子を用いてもよい。尚、本実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０５に含まれるスイッチング素子としてＭＯＳトランジスタを採用した場合を想定して説明をする。
【００３７】
電動機１０６は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０５から供給されるモータ電流Ｉmに応じて、回転トルクを発生して、運転者の操舵力をアシストする。
【００３８】
次に、図２を参照しながら、駆動回路１０４及びＤＣ−ＤＣコンバータ１０５について、より詳細に説明する。
【００３９】
駆動回路１０４は、昇圧回路１０４ａ、上段スイッチング素子駆動回路１０４ｂ、下段スイッチング素子駆動回路１０４ｃを含む。昇圧回路１０４ａは、電源１０１から供給される直流電力Ｐｄを昇圧して、昇圧電力Ｐｂとして上段スイッチング素子駆動回路１０４ｂ及び電圧監視回路１０３へ供給する。上段スイッチング素子駆動回路１０４ｂは、制御回路１０２から出力される制御信号Ｃｓ１及びＣｓ２のそれぞれを増幅する。そして、増幅した信号のそれぞれを昇圧電力Ｐｂの電圧（以下、昇圧電圧Ｖｂという）で昇圧して、駆動信号ＳＨ１及びＳＨ２をそれぞれ生成する。また、下段スイッチング素子駆動回路１０４ｃは、制御回路１０２から出力される制御信号Ｃｓ３及びＣｓ４のそれぞれを増幅して、駆動信号ＳＬ１及びＳＬ２を生成する。駆動信号ＳＨ１及びＳＨ２は、それぞれ増幅及び昇圧されることにより生成されるのに対して、駆動信号ＳＬ１及びＳＬ２は、それぞれ増幅のみをされることにより生成される。
【００４０】
ＤＣ−ＤＣコンバータ１０５は、図２に示すとおり、第１の上段スイッチング素子Ｈ１及び第１の下段スイッチング素子Ｌ１を直列に接続した第１の直列回路と、第２の上段スイッチング素子Ｈ２及び第２の下段スイッチング素子Ｌ２を直列に接続した第２の直列回路とを並列に接続したＨブリッジ回路である。第１の直列回路及び第２の直列回路に含まれる上段スイッチング素子は、それぞれ電源１０１と接続されている。また、第１の直列回路及び第２の直列回路に含まれる下段スイッチング素子は、それぞれ接地されている。また、第１の直列回路及び第２の直列回路のそれぞれの上段スイッチング素子及び下段スイッチング素子の接続点に電動機１０６が接続されている。
【００４１】
第１の上段スイッチング素子Ｈ１及び第２の上段スイッチング素子Ｈ２のそれぞれは、上段スイッチング素子駆動回路１０４ｂによって生成された駆動信号ＳＨ１及びＳＨ２のそれぞれのパルスレベルに応じて回路の開閉状態を切り換える。また、第１の下段スイッチング素子Ｌ１及び第２の下段スイッチング素子Ｌ２のそれぞれは、下段スイッチング素子駆動回路１０４ｃによって生成された駆動信号ＳＬ１及びＳＬ２のそれぞれのパルスレベルに応じて回路の開閉状態を切り換える。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０５に含まれるスイッチング素子は、それぞれのスイッチング素子に入力される駆動信号のパルスレベルが、ハイレベルとなっている期間において回路を開状態にし、ローレベルとなっている期間において回路を閉状態にする。
【００４２】
尚、上段スイッチング素子駆動回路１０４ｂのみが昇圧及び増幅をする理由は、第１の上段スイッチング素子Ｈ１及び第２の上段スイッチング素子Ｈ２のそれぞれが電源１０１と接続されているためである。より詳細には、第１の上段スイッチング素子Ｈ１及び第２の上段スイッチング素子Ｈ２が、それぞれＭＯＳトランジスタである場合、ドレイン−ソース間電圧以上（より好ましくは、ドレイン−ソース間電圧よりも１Ｖ以上）の電圧をゲートに印加しなければ、ＭＯＳトランジスタを十分に開状態にできない。このため、上段スイッチング素子駆動回路１０４ｂは、増幅した制御信号をさらに昇圧電圧Ｖｂで昇圧して、電源１０１から供給される直流電力Ｐｄの電圧以上の電圧をＤＣ−ＤＣコンバータ１０５に含まれるそれぞれの上段スイッチング素子のゲートに印加する。
【００４３】
次に、制御回路１０２が、制御信号Ｃｓ１〜Ｃｓ４を出力してＤＣ−ＤＣコンバータ１０５に含まれるスイッチング素子をそれぞれ開閉させて、電動機１０６のトルクと回転方向とを制御する方法をより具体的に説明する。
【００４４】
まず、電動機１０６の回転方向とそれぞれのスイッチング素子の開閉状態との関係について説明する。本実施形態では、一例として、図２に示すＤＣ−ＤＣコンバータ１０５において、第１の上段スイッチング素子Ｈ１及び第２の下段スイッチング素子Ｌ２のみが開状態であり、他の全てのスイッチング素子が閉状態であるときに、電動機１０６へ供給されるモータ電流Ｉmの方向を正方向とする。また、第２の上段スイッチング素子Ｈ２及び第１の下段スイッチング素子Ｌ１のみが開状態であり、他の全てのスイッチング素子が閉状態であるときに、電動機１０６へ供給されるモータ電流Ｉmの方向を逆方向とする。そして、本実施形態では、一例として、電動機１０６が、正方向のモータ電流Ｉmを供給されているときに回転する方向を正回転（ＣＷ回転：時計回り）とし、逆方向のモータ電流Ｉmを供給されているときに回転する方向を逆回転（ＣＣＷ回転：反時計回り）とする。
【００４５】
次に、電動機１０６のトルクの大きさとそれぞれのスイッチング素子の開閉状態との関係について説明する。電動機１０６が発生するトルクの大きさは、モータ電流Ｉmの大きさに比例する。そして、モータ電流Ｉmの大きさは、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０５に含まれるスイッチング素子にそれぞれ供給される駆動信号のデューティ比に応じて変化する。つまり、電動機１０６のトルクの大きさは、回転方向に応じて開閉されるスイッチング素子がそれぞれ１つのパルス周期において開状態にされる期間の長さに比例する。
【００４６】
次に、制御回路１０２が生成する制御信号Ｃｓ１〜Ｃｓ４のそれぞれと駆動信号ＳＨ１、ＳＨ２、ＳＬ１及びＳＬ２のそれぞれとの対応関係について説明する。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０５に入力される駆動信号ＳＨ１、ＳＨ２、ＳＬ１及びＳＬ２のそれぞれは、上述したように、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０５に含まれるスイッチング素子のそれぞれを駆動するのに必要な電圧まで制御信号Ｃｓ１〜Ｃｓ４の電圧を高めることによって生成された信号である。このため、制御信号Ｃｓ１〜Ｃｓ４は、それぞれ駆動信号ＳＨ１、ＳＨ２、ＳＬ１及びＳＬ２と対応している。
【００４７】
より具体的には、制御信号Ｃｓ１は、駆動信号ＳＨ１と対応しており、第１の上段スイッチング素子Ｈ１の開閉状態を切り換えるタイミングを制御するための信号となる。制御信号Ｃｓ２は、駆動信号ＳＨ２と対応しており、第２の上段スイッチング素子Ｈ２の開閉状態を切り換えるタイミングを制御するための信号となる。制御信号Ｃｓ３は、駆動信号ＳＬ１と対応しており、第１の下段スイッチング素子Ｌ１の開閉状態を切り換えるタイミングを制御するための信号となる。制御信号Ｃｓ４は、駆動信号ＳＬ２と対応しており、第２の下段スイッチング素子Ｌ２の開閉状態を切り換えるタイミングを制御するための信号となる。
【００４８】
したがって、本実施形態に係る制御回路１０２は、電動機１０６を算出したトルクで正回転させるとき、それぞれ算出したトルクに応じたデューティ比を有する制御信号Ｃｓ１及びＣｓ４のみを生成する。一方、制御回路１０２は、電動機１０６を算出したトルクで逆回転させるとき、それぞれ算出したトルクに応じたデューティ比を有する制御信号Ｃｓ２及びＣｓ３のみを生成する。
【００４９】
以上より、制御回路１０２は、算出したトルク及び判断した回転方向に応じて、制御信号Ｃｓ１〜Ｃｓ４をそれぞれ生成することで、電動機１０６を制御することができる。
【００５０】
図３は、制御回路１０２が、電動機１０６を正回転させるときの制御信号Ｃｓ１、Ｃｓ４、及びモータ電流Ｉmのレベルをそれぞれ示すタイミングチャートである。図３は、一例として、デューティ比が５０％である制御信号Ｃｓ１及びデューティ比が１２．５％である制御信号Ｃｓ４を示している。制御回路１０２は、図３に示す制御信号Ｃｓ１及びＣｓ４を生成することで、それぞれの制御信号のデューティ比に応じた大きさで、これらの制御信号のパルス波形をより平滑化した波形のモータ電流Ｉmが電動機１０６に供給される。
【００５１】
一方、制御回路１０２が、電動機１０６を逆回転させるときは、一例として、図３に示す制御信号Ｃｓ１と同じ信号を制御信号Ｃｓ２として生成し、制御信号Ｃｓ４と同じ信号を制御信号Ｃｓ３として生成する。これにより、制御回路１０２は、電動機１０６を正回転させるときと同様に、それぞれの制御信号のデューティ比に応じた大きさのモータ電流Ｉmを電動機１０６に供給して、電動機１０６を逆回転させることができる。
【００５２】
尚、本実施形態では、それぞれの上段スイッチング素子に入力する駆動信号のデューティ比と、それぞれの下段スイッチング素子に入力する駆動信号のデューティ比との比率を４対１としているが、この比率は、必ずしも４対１でなくてもよい。
【００５３】
また、図３には、電動機１０６を正回転させるときのみのタイミングチャートを示している。しかし、実際には制御回路１０２は、図示しない回転角センサによって検出された回転角度などに基づいて、回転方向の判断及びトルクの算出をして、デューティ比を変化させながら、正回転、又は、逆回転させる組み合わせの制御信号を交互に生成して電動機１０６を制御する。
【００５４】
次に、制御回路１０２に電圧監視回路１０３から第１の電圧低下信号Ｖｄ１が入力されたときの動作を説明する。昇圧電圧Ｖｂが何らかの理由で低下すると、駆動回路１０４から出力される駆動信号の内、駆動信号ＳＨ１及びＳＨ２のパルスレベル、すなわち、電圧が低下する。これは、駆動信号ＳＨ１及びＳＨ２が、上述したように、制御信号Ｃｓ１及びＣｓ２のそれぞれを昇圧電圧Ｖｂで昇圧することによって生成された信号だからである。
【００５５】
駆動信号ＳＨ１及びＳＨ２の電圧が低下すると、低下の度合いに応じて、第１の上段スイッチング素子Ｈ１及び第２の上段スイッチング素子Ｈ２のオン抵抗が増大し、増大するオン抵抗に比例してそれぞれのスイッチング素子における電力損失が増大する。そして、スイッチング素子における電力損失が増大すると、スイッチング素子から放射される熱量も増大する。このため、電力損失が増大しているのにも拘わらず、電動機１０６の制御を続けると、第１の上段スイッチング素子Ｈ１及び第２の上段スイッチング素子Ｈ２は、自身が発生する熱によって熱破壊してしまう。このため、制御回路１０２は、電圧監視回路１０３から第１の電圧低下信号Ｖｄ１を入力されると、第１の上段スイッチング素子Ｈ１及び第２の上段スイッチング素子Ｈ２の熱破壊を防ぐためにそれぞれのスイッチング素子が熱破壊するまでの期間を延長して、電動機１０６を緩やかに停止させるための期間を確保する処理を開始する。尚、電動機１０６を緩やかに停止させる理由は、電動機１０６を即座に停止させてしまうと、アシストトルクが瞬時になくなり、運転者が違和感を感じてしまうためである。以下、第１の電圧低下信号Ｖｄ１が制御回路１０２に入力されてから、第１の上段スイッチング素子Ｈ１及び第２の上段スイッチング素子Ｈ２が熱破壊するまでの期間を延長する制御回路１０２の処理を単に延長処理という。
【００５６】
尚、昇圧電圧Ｖｂが低下することによって、第１の下段スイッチング素子Ｌ１及び第２の下段スイッチング素子Ｌ２が、熱破壊することはないことを付言しておく。これは、第１の下段スイッチング素子Ｌ１及び第２の下段スイッチング素子Ｌ２を駆動する駆動信号ＳＬ１及びＳＬ２は、単に制御信号Ｃｓ３及びＣｓ４をそれぞれ増幅した信号であり、昇圧電圧Ｖｂで昇圧はされていない信号だからである。
【００５７】
次に、制御回路１０２の延長処理をより詳細に説明する。そのために、まず、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０５に含まれるスイッチング素子において発生する電力損失について説明する。
【００５８】
ＤＣ−ＤＣコンバータ１０５に含まれるそれぞれのスイッチング素子の電力損失には、大きく分けて３種類の電力損失がある。３種類の電力損失とは、オン損失Ｐon、スイッチング損失Ｐsw及びオフ損失Ｐoffである。オン損失Ｐonとは、スイッチング素子が開状態となっている期間において生じる損失であり、式１によって計算することができる。
【数１】
2009011122.tif 000003
【００５９】
また、スイッチング損失Ｐswとは、スイッチング素子の開閉状態が切り換わるときに生じる損失であり、式２によって計算することができる。尚、式２において、ｔonは、制御信号がローレベルからハイレベルに切り替わるときの立ち上がり時間であり、ｔoffは制御信号がハイレベルからローレベルに切り替わるときの立ち下がり時間である。また、Ｔは制御信号のパルス周期である。
【数２】
2009011122.tif 000004
【００６０】
そして、オフ損失Ｐoffとは、スイッチング素子が閉状態となっている期間、すなわち、デッドタイムにおいて生じる損失であり、式３によって計算することができる。尚、  式３において、ｔDEADは、図２に示すＤＣ−ＤＣコンバータ１０５の貫通防止デッドタイムであり、ＶSDは、スイッチング素子に内在する寄生ダイオードの順方向電圧である。
【数３】
2009011122.tif 000005
【００６１】
ここで、デッドタイムとは、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０５に含まれる全てのスイッチング素子が同時に開状態となって、電動機１０６の端子が短絡してしまうことを防ぐために、スイッチング素子の開閉状態を切り換えるときに全てのスイッチング素子を一度閉状態にするための期間のことである。
【００６２】
スイッチング素子の全損失Ｐlossは、上述したオン損失Ｐonとスイッチング損失Ｐswとオフ損失Ｐoffとを全て加算したものであり、式４によって計算することができる。
【数４】
2009011122.tif 000006
【００６３】
式４から明らかなように、スイッチング素子の損失をできるだけ小さくするには、前述した３つの損失をそれぞれ小さくすればよい。次に、式１〜式３を参照しながら、前述した３つの損失のそれぞれを小さくする方法を説明する。
【００６４】
オン損失Ｐonは、式１から明らかなように、オン抵抗ＲDSとモータ電流Ｉmとに比例する。このため、オン抵抗ＲDSとモータ電流Ｉmとの少なくともいずれか一方を小さくすれば、オン損失Ｐonを小さくすることができる。しかし、オン抵抗ＲDSは、スイッチング素子の物理的な特性であって、駆動信号の電圧の低下に伴い必然的に増大する抵抗であるため、制御回路１０２による制御では小さくすることができない。したがって、オン損失Ｐonをゼロにするには、モータ電流Ｉmをゼロにする。
【００６５】
次に、スイッチング損失Ｐswを小さくする方法を説明する。スイッチング損失Ｐswは、式２から明らかなように、昇圧電圧Ｖｂとモータ電流Ｉmとに比例し、制御信号のパルス周期Ｔに反比例する。このため、制御信号のパルス周期Ｔを無限大にするとスイッチング損失Ｐswをゼロにすることができる。つまり、制御信号のデューティ比を１００％又は０％にすることにより、スイッチング損失Ｐswをゼロにすることができる。
【００６６】
次に、オフ損失Ｐoffを小さくする方法を説明する。オフ損失Ｐoffは、式３から明らかなように、スイッチング損失Ｐswと同様に制御信号のパルス周期Ｔに反比例する。したがって、オフ損失Ｐoffは、スイッチング損失Ｐswと同様に、制御信号のデューティ比を１００％又は０％にすることにより、ゼロにすることができる。
【００６７】
ここで、上記３つの電力損失の内、オン損失Ｐonは、制御回路１０２が延長処理を開始したときに即座にゼロにすることはできない。これは、モータ電流Ｉmをゼロにすると、電動機１０６が即座に停止するためである。したがって、制御回路１０２は延長処理を開始したとき、オン損失Ｐonよりも先にスイッチング損失Ｐsw及びオフ損失Ｐoffをゼロにする。
【００６８】
スイッチング損失Ｐsw及びオフ損失Ｐoffをゼロにするには、上述したように制御回路１０２が制御信号Ｃｓ１及びＣｓ２のデューティ比を０％又は１００％にする２つの方法がある。しかし、制御信号Ｃｓ１及びＣｓ２のデューティ比を０％にすると、常に制御信号のパルスレベルがローレベルとなるため、第１の上段スイッチング素子Ｈ１及び第２の上段スイッチング素子Ｈ２が閉状態となり、電動機１０６が即座に停止してしまう。したがって、制御回路１０２は、スイッチング損失Ｐsw及びオフ損失Ｐoffをゼロにするために、制御信号Ｃｓ１及びＣｓ２のデューティ比をそれぞれ１００％にして、制御信号のパルスレベルをそれぞれ常にハイレベルにすることにより、それぞれのスイッチング素子を常に開状態にする。このため、昇圧回路１０４ａは、何らかの理由で供給する昇圧電圧Ｖｂの電圧が低下して制御信号Ｃｓ１及びＣｓ２に応じて駆動信号ＳＨ１及びＳＨ２をそれぞれ生成できなくなったとしても、上段スイッチング素子制御回路１０４ｂがそれぞれの上段スイッチング素子を常に開状態にできる高さの昇圧電圧Ｖｂを生成できるものとしてもよい。
【００６９】
図４は、上述した延長処理の一例として、電動機１０６を正回転させているときにおいて、第１の電圧低下信号Ｖｄ１を入力されたときの制御信号Ｃｓ１及びＣｓ４のタイミングチャートを示す図である。図４に示すように、制御信号Ｃｓ１のデューティ比を１００％にすることで、第１の上段スイッチング素子Ｈ１のスイッチング損失Ｐsw及びオフ損失Ｐoffをゼロにして、それぞれのスイッチング素子が熱破壊するまでの期間を延長することができる。
【００７０】
また、制御回路１０２は、電動機１０６を正回転させるときにおいて、制御信号Ｃｓ１のデューティ比を常に１００％にしても、熱破壊の可能性のない第２の下段スイッチング素子Ｌ２を制御することで、電動機１０６の制御を続けることができる。これにより、制御回路１０２は、第１の上段スイッチング素子Ｈ１が、熱破壊するまでの期間を延長して、延長した期間において、電動機１０６を緩やかに停止させるための制御をすることができる。
【００７１】
図５は、制御回路１０２が、電動機１０６を正回転させるときにおいて、制御信号Ｃｓ１のデューティ比を１００％にしたとき以後、制御信号Ｃｓ４のデューティ比を０％に漸減していく様子を示す図である。制御回路１０２は、第１の上段スイッチング素子Ｈ１におけるスイッチング損失Ｐsw及びオフ損失Ｐoffをゼロにしたとき以後、図５に示すように制御信号Ｃｓ４のデューティ比をゼロに漸減する。
【００７２】
制御回路１０２が、制御信号Ｃｓ４のデューティ比をゼロに漸減することで、図５に示すようにモータ電流Ｉmをゼロに漸減することができる。これにより、制御回路１０２は、電動機１０６を緩やかに停止させることができ、運転者が感じる違和感を低減することができる。また、制御回路１０２は、モータ電流Ｉmをゼロに漸減させた後、制御信号Ｃｓ１〜Ｃｓ４の全ての信号の生成を停止して、電動機１０６の制御を終了する。
【００７３】
尚、図４及び図５には、電動機１０６を正回転させるときにおける延長処理のタイミングチャートのみを示している。これに対して、制御回路１０２が、電動機１０６を逆回転させるときにおいて延長処理をするときは、図４及び図５における制御信号Ｃｓ１及びＣｓ４と同じ波形の制御信号Ｃｓ２及びＣｓ３をそれぞれ出力する。
【００７４】
また、制御回路１０２が延長処理をしている期間において、運転者がハンドルを左右に交互に回転させたときは、運転者のハンドルの回転方向に応じて、制御信号Ｃｓ１及びＣｓ４、又は、制御信号Ｃｓ２及びＣｓ３の信号の組を交互に出力しながら、上述した延長処理を続ける。
【００７５】
次に、昇圧電圧Ｖｂが第２の閾値ＴＨ２以下に低下して、電圧監視回路１０３から制御回路１０２へ第２の電圧低下信号Ｖｄ２が出力されたときの、制御回路１０２の動作を説明する。昇圧電圧Ｖｂが第２の閾値ＴＨ２以下に低下したときとは、スイッチング素子において生じる電力損失（特にオン損失Ｐon）が、無限大に近い値となり、即座に電動機１０６の制御を停止してスイッチング素子の熱破壊を防ぐ必要が生じたときである。したがって、制御回路１０２は、第２の電圧低下信号Ｖｄ２が入力されたときには、制御信号Ｃｓ１〜Ｃｓ４の全てのパルスレベルをローレベルにして、電動機１０６の制御を即座に停止する。
【００７６】
図６は、本実施形態に係る制御回路１０２の処理を示すフローチャートである。制御回路１０２は、図６のフローチャートに示す処理の他にも運転者によって回転させられるハンドルの回転角を検出して、電動機１０６の回転方向やトルクの大きさなどを算出するなどの処理も並行して行っているものとする。以下、図６のフローチャートを参照しながら制御回路１０２の動作を説明する。
【００７７】
ステップＳ１０１において、制御回路１０２は、電圧監視回路１０３から第１の電圧低下信号Ｖｄ１が入力されたか否かを判断する。制御回路１０２は、ステップＳ１０１において、第１の電圧低下信号Ｖｄ１が入力されたと判断したとき、ステップＳ１０２へ処理を進める。一方、制御回路１０２は、ステップＳ１０１において、第１の電圧低下信号Ｖｄ１が入力されていないと判断したとき、ステップＳ１０５へ処理を進める。
【００７８】
ステップＳ１０２において、制御回路１０２は、電圧監視回路１０３から第２の電圧低下信号Ｖｄ２が入力されたか否かを判断する。制御回路１０２は、ステップＳ１０２において、第２の電圧低下信号Ｖｄ２が入力されたと判断したとき、ステップＳ１０６へ処理を進める。一方、制御回路１０２は、ステップＳ１０２において、第２の電圧低下信号Ｖｄ２が入力されていないと判断したとき、ステップＳ１０３へ処理を進める。
【００７９】
ステップＳ１０３において、制御回路１０２は、第１の上段スイッチング素子Ｈ１及び第２の上段スイッチング素子Ｈ２のそれぞれが熱破壊するまでの期間を延長して、電動機１０６を緩やかに停止させるために、前述した延長処理を開始する。制御回路１０２は、ステップＳ１０３の処理が完了すると、ステップＳ１０４へ処理を進める。
【００８０】
ステップＳ１０４において、制御回路１０２は、運転者の操舵力をアシストすることに関する全ての処理を停止する。制御回路１０２は、ステップＳ１０４の処理を完了すると、図６のフローチャートに示す処理を終了する。
【００８１】
ステップＳ１０５において、制御回路１０２は、昇圧電圧Ｖｂが正常なため、運転者の操舵力をアシストするために電動機１０６の制御を続行する。制御回路１０２は、ステップＳ１０５の処理を完了すると、ステップＳ１０１から処理を繰り返す。
【００８２】
ステップＳ１０６において、制御回路１０２は、制御信号Ｃｓ１〜Ｃｓ４の全ての信号のパルスレベルをそれぞれローレベルにして、電動機１０６を瞬時に停止させる。制御回路１０２は、ステップＳ１０６の処理を完了すると、ステップＳ１０４へ処理を進める。
【００８３】
以上より、本実施形態に係る制御回路１０２によれば、図４及び図５に示すとおり、昇圧電圧Ｖｂが第１の閾値ＴＨ１以下に低下したときに、まず、制御信号Ｃｓ１のデューティ比を１００％にする。これにより、第１の上段スイッチング素子Ｈ１のスイッチング損失Ｐsw及びオフ損失Ｐoffをゼロにして、熱破壊するまでの期間を延長する。その後、制御回路１０２は、延長した期間を利用して制御信号Ｃｓ４のデューティ比をゼロに漸減させる。これにより、制御回路１０２は、第２の下段スイッチング素子Ｌ２を制御して電動機１０６に供給されるモータ電流Ｉmをゼロに漸減させて、運転者に違和感を与えることなく電動機１０６を停止させることができる。また、制御回路１０２が、延長処理の最後に制御信号Ｃｓ１〜Ｃｓ４の出力を停止することで、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０５に含まれるスイッチング素子の熱破壊を未然に防ぐことができる。
【００８４】
尚、第１の閾値ＴＨ１は、スイッチング素子が熱破壊するまでに、制御回路１０２が延長処理を完了するための期間を確保できるように、予め所定の値として定められているものとする。また、第２の閾値ＴＨ２は、スイッチング素子が熱破壊するときの駆動信号の電圧に応じて、予め定められているものとする。
【００８５】
また、本実施形態では、制御回路１０２が生成する制御信号の数は、制御信号Ｃｓ１〜Ｃｓ４の４つとした。しかし、制御回路１０２が生成する制御信号の数は４つに限られるものではなく、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０５に含まれるスイッチング素子の数に応じて変化することは言うまでもない。
【００８６】
また、本実施形態では、駆動回路１０４に昇圧回路１０４ａが含まれる構成であるものとしたが、図７に示すように昇圧回路１０４ａを駆動回路１０４から分離し、それぞれ異なる構成要素としてもよい。
【００８７】
また、本発明は、図８に示すように、昇圧回路で昇圧された昇圧電力を電動機及び駆動回路へ供給する構成を有する電動機制御装置にも適用できることは、言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明によれば、昇圧電圧が低下したときに、スイッチング素子が熱破壊に至るまでの期間を延長し、電動機のトルクをゼロまで漸減させて、運転者が覚える違和感を低減させるための期間を確保することができ、例えば、自動車等の移動体に搭載される操舵アシスト装置の制御回路などに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】第１の実施形態に係る電動機制御装置の構成を示すブロック図
【図２】駆動回路及びＤＣ−ＤＣコンバータの詳細な構成を示すブロック図
【図３】昇圧電圧が低下していないときの、制御信号のレベルを示すタイミングチャート
【図４】制御回路に第１の電圧低下信号が入力されたときの制御信号のレベルを示すタイミングチャート
【図５】モータ電流をゼロまで漸減させるときの制御信号及びモータ電流のレベルを示す図
【図６】本実施形態に係る制御回路の処理を示すフローチャート
【図７】本実施形態の第１の変形例を示す図
【図８】本実施形態の第２の変形例を示す図
【図９】従来の電動機制御装置の構成を示すブロック図
【符号の説明】
【００９０】
１０１    電源
１０２    制御回路
１０３    電圧監視回路
１０４    駆動回路
１０５    ＤＣ−ＤＣコンバータ
１０６    電動機
１０４ａ    昇圧回路
１０４ｂ    上段スイッチング素子駆動回路
１０４ｃ    下段スイッチング素子駆動回路
Ｈ１    第１の上段スイッチング素子
Ｈ２    第２の上段スイッチング素子
Ｌ１    第１の下段スイッチング素子
Ｌ２    第２の下段スイッチング素子
【図１】
2009011122.tif 000007
【図２】
2009011122.tif 000008
【図３】
2009011122.tif 000009
【図４】
2009011122.tif 000010
【図５】
2009011122.tif 000011
【図６】
2009011122.tif 000012
【図７】
2009011122.tif 000013
【図８】
2009011122.tif 000014
【図９】
2009011122.tif 000015