JP5013165B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ制御装置に関する。

例えば、自動車の電動パワーステアリング装置は、電動モータと、これを制御するモータ制御装置とを有している（例えば、特許文献１参照。）。電動モータには、ブラシレスモータが使用され、複数のコイルを有している。これら複数のコイルは、予め定められた態様で、互いに接続されるとともにモータ制御装置に接続されている。
特開２００２−２５５０４９号公報

ところで、電動モータの回転速度が高速になるほどに、出力トルクが低下する傾向にある。
一方で、電動パワーステアリング装置の電動モータでは、低い回転速度範囲での出力トルクを低下させることなく、より高い回転速度でも出力トルクをより一層高めたいという要請がある。

この要請に応えるために、モータ制御装置に、昇圧回路を設けることが考えられている。しかし、昇圧回路があるので、製造コストが高くなる。
また、このような課題は、電動パワーステアリング装置以外の装置にも存在する。
そこで、本発明の目的は、広い速度範囲にわたって出力トルクを高めることができる安価なモータ制御装置を提供することである。

本発明のモータ制御装置は、各相コイルが第１〜第４の４つのコイルを有するステータを備えた電動モータを制御するためのモータ制御装置において、上記電動モータの回転速度を検出する回転速度検出手段（３１）と、この回転速度検出手段によって検出された回転速度に応じて、各相におけるコイルの配列を切り換えるための切換手段（３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ）とを備え、各相における切換手段は、駆動電力が入力される入力端子（３３）と、中性点（Ｎ）に接続される中性点端子（３４）と、第１〜第４のコイル（２８Ａ〜２８Ｄ）の一端（２９）がそれぞれ接続される４つの第１の端子（３５）と、第１〜第４のコイルの他端（３０）がそれぞれ接続される４つの第２の端子（３６）と、第３のコイル（２８Ｃ）が接続された第１の端子または第２の端子と、第４のコイル（２８Ｄ）が接続された第１の端子または第２の端子とを中継する中継端子（４３）と、第２〜第４のコイルが接続された３つの第１の端子のそれぞれと入力端子とを接離可能に接続する３つの入力側スイッチ（３７）と、第１のコイル（２８Ａ）が接続された第２の端子と、第２のコイル（２８Ｂ）が接続された第１の端子または第２の端子との接続状態を切り換える第１の切換スイッチ（３８）と、第２のコイルが接続された第２の端子と、第３のコイルが接続された第１の端子または第２の端子との接続状態を切り換える第２の切換スイッチ（３９）と、中継端子と、第３のコイルが接続された第１の端子または第２の端子との接続状態を切り換える第３の切換スイッチ（４０）と、中継端子と、第４のコイルが接続された第１の端子または第２の端子との接続状態を切り換える第４の切換スイッチ（４１）と、中性点端子と、第３のコイルが接続された第２の端子または第４のコイルが接続された第２の端子との接続状態を切り換える第５の切換スイッチ（４２）とを有し、第１のコイルが接続された第１の端子は、入力端子に接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、例えば、検出された回転速度が低速のときには、各相コイルに含まれる複数のコイルの配列を、互いに直列接続された配列とし、回転速度が高速になると、各相コイルに含まれる複数のコイルの配列を、互いに並列接続された配列に切り換えることが可能となる。並列接続された配列では、１つのコイルあたりの電流量は小さくなり、電圧は高くなる。その結果、相対的に高い回転速度範囲での出力トルクが高まる。逆に、直列接続された配列のときには、１つのコイルあたりの電流量は多くなり、電圧は低くなる。その結果、相対的に低い回転速度範囲での出力トルクが高くなる。従って、広い速度範囲にわたって出力トルクを高めることができる。しかも、複数のコイルの配列の切り換えは、スイッチ等の簡素な構造で安価に実現できる。従って、製造コストを低減することができる。なお、上述の配列としては、直列接続された配列および並列接続された配列に限らず、直並列接続された配列であってもよい。

また、本発明において、上記配列は、回転速度の異なる複数の速度領域にそれぞれ対応する配列を含み、回転速度が相対的に高い速度領域に対応する配列における各相の並列回路数が、回転速度が相対的に低い速度領域に対応する配列における各相の並列回路数（零を含む）よりも多い場合がある。この場合、広い速度範囲にわたって出力トルクを高めることが確実に達成できる。なお、上述の並列回路数が零を含むというのは、回転速度が相対的に低い速度領域に対応する上記配列が、各相における複数のコイルが互いに直列接続された配列である場合を含む趣旨であり、このように直列接続された配列では、並列回路数を零とする。

また、本発明において、上記切換手段によって、各相のコイルが任意の１つの配列から別の配列に切り換えられるときの回転速度は、当該切り換えに際して、電動モータの出力トルクが変化しない回転速度に設定されている場合がある。この場合、各相のコイルが任意の１つの配列から別の配列に切り換えられるときに、出力トルクが急変することが防止される結果、広い速度範囲にわたって出力トルクを効果的に高めることができる。

以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。本実施形態では、モータ制御装置が電動パワーステアリング装置に適用されている場合に則して説明するが、これ以外の他の装置に適用することもできる。
図１は、本発明の一実施形態の電動パワーステアリング装置の概略構成を示す模式図である。図１を参照して、電動パワーステアリング装置１は、操向輪２を操舵するために操舵部材としてのステアリングホイール３に加えられる操舵トルクを伝達するステアリングシャフト４と、ステアリングシャフト４からの操舵トルクにより操向輪２を操舵するための例えばラックアンドピニオン機構からなる操舵機構５と、ステアリングシャフト４および操舵機構５の間に設けられてこの間において回転を伝達するための軸継手としての中間軸６とを有している。

ステアリングシャフト４は、ステアリングコラム７の内部を挿通して、ステアリングコラム７により回転自在に支持されている。ステアリングコラム７はブラケット８を介して車体９に支持されている。ステアリングシャフト４の一方の端部にステアリングホイール３が連結されていて、回転自在に支持されている。ステアリングシャフト４の他方の端部に中間軸６が連結されている。

中間軸６は、動力伝達軸１０と、中間軸６の一方の端部に設けられた自在継手１１と、中間軸６の他方の端部に設けられた自在継手１２とを有している。
操舵機構５は、入力軸としてのピニオン軸１３と、自動車の横方向（直進方向と直交する方向である。）に延びる転舵軸としてのラックバー１４と、ピニオン軸１３およびラックバー１４を支持するラックハウジング１５とを有している。ピニオン軸１３のピニオン歯１３ａと、ラックバー１４のラック歯１４ａとが互いに噛み合っている。ラックバー１４の各端部はそれぞれ、タイロッドおよびナックルアーム（図示せず）を介して対応する操向輪２に連結されている。

ステアリングホイール３が操舵されると、その操舵トルクがステアリングシャフト４等を介して操舵機構５に伝達される。これにより操向輪２を操舵することができる。
電動パワーステアリング装置１は、操舵トルクに応じて操舵補助力を得られるようになっている。すなわち、電動パワーステアリング装置１は、操舵トルクを検出するトルクセンサ１６と、制御部としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit ：電子制御ユニット）１７と、操舵補助用の電動モータ１８と、歯車装置としての減速機１９とを有している。

本実施形態では、ＥＣＵ１７は、車両用バッテリー等の電源２０に接続されるとともに、後述するモータ制御装置２１に接続されていて、モータ制御装置２１を介して電動モータ１８に接続されている。
また、電動モータ１８および減速機１９は、ステアリングコラム７に関連して設けられている。ステアリングコラム７は、トルクセンサ１６を収容して支持し、電動モータ１８を支持し、また、減速機１９の一部を構成している。

ステアリングシャフト４は、入力軸２２と、出力軸２３と、トーションバー２４とを有している。ステアリングシャフト４の軸方向下部が、入力軸２２と、出力軸２３とに分割されている。入力軸２２および出力軸２３は、トーションバー２４を介して同一の軸線上で互いに連結されている。入力軸２２は、ステアリングシャフト４の軸方向上部としての連結軸２５を介して、ステアリングホイール３に連なっている。出力軸２３は、中間軸６を介して、ピニオン軸１３に連なっている。入力軸２２に操舵トルクが入力されたときに、トーションバー２４が弾性ねじり変形し、これにより、入力軸２２および出力軸２３が相対回転する。

トルクセンサ１６は、ステアリングシャフト４のトーションバー２４に関連して設けられ、トーションバー２４を介する入力軸２２および出力軸２３間の相対回転変位量に基づいてトルクを検出する。トルク検出結果は、ＥＣＵ１７に与えられる。
ＥＣＵ１７は、マイクロコンピュータ等を含む制御部１７ａと、電動モータ１８を駆動するための駆動回路１７ｂとを有している。制御部１７ａは、上述のトルク検出結果や図示しない車速センサから与えられる車速検出結果等に基づいて、電動モータ１８を制御する。

減速機１９は、減速機構であり且つギヤ機構としてのウォームギヤ機構を有している。このウォームギヤ機構は、駆動ギヤとしてのウォーム軸２６と、従動ギヤとしてのウォームホイール２７とを有している。ウォーム軸２６は、電動モータ１８により駆動される。ウォーム軸２６は、ウォームホイール２７に噛み合っている。ウォームホイール２７は、出力軸２３に一体回転できるように互いに固定されている。

ステアリングホイール３が操作されると、操舵トルクがトルクセンサ１６により検出され、トルク検出結果および車速検出結果等に応じて電動モータ１８が操舵補助力を発生させる。操舵補助力は、減速機１９を介してピニオン軸１３に伝達され、ステアリングホイール３の動きとともに操舵機構５に伝わり、操向輪２が操舵される。具体的には、電動モータ１８の出力回転は、伝動装置としての減速機１９を介してピニオン軸１３に伝達され、その間、減速機１９により減速される。ピニオン軸１３に伝達された回転はラックバー１４の直線運動に変換されて、操舵が補助される。

電動モータ１８は、フレームとしてのモータハウジング１８ａと、このモータハウジング１８ａに軸受（図示せず）を介して回動自在に支持された出力軸１８ｂと、この出力軸１８ｂに一体回転するように設けられた筒状のロータ１８ｃと、ロータ１８ｃの外周面と径方向に対向してモータハウジング１８ａ内に固定される筒状のステータ１８ｄとを有している。電動モータ１８は、ブラシレスモータで構成されている。また、電動モータ１８は、ロータ１８ｃの回転角度位置を検出するための、レゾルバ、ロータリーエンコーダ等の回転位置検出センサ１８ｅを有している。

ロータ１８ｃは、出力軸１８ｂおよび軸受を介して、モータハウジング１８ａに回動自在に支持されている。ロータ１８ｃは、ロータマグネット（図示せず）を有している。ロータマグネットは、ロータ１８ｃの周方向に離隔する複数、例えば８個の磁極を有している。ロータマグネットは、環状の永久磁石からなる。ロータマグネットの外周面にＮ極とＳ極との磁極が交互に周方向に並んで複数箇所に形成されている。

ステータ１８ｄは、環状をなす単一のステータコア（図示せず）と、複数、例えば１２個のコイル２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃ，２８Ｄ，２８Ｅ，２８Ｆ，２８Ｇ，２８Ｈ，２８Ｉ，２８Ｊ，２８Ｋ，２８Ｌ（図１にはコイル２８Ａのみ図示した。他のコイル２８Ｂ〜２８Ｌは図４参照。）とを有している。各コイル２８Ａ〜２８Ｌは、絶縁被覆された電線をそれぞれ有し、ステータコアに巻かれている。

複数のコイル２８Ａ〜２８Ｌには、３相交流の各相が印加される３相のコイル２８Ａ〜２８Ｌ、すなわち、Ｕ相のコイル２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃ，２８Ｄと、Ｖ相のコイル２８Ｅ，２８Ｆ，２８Ｇ，２８Ｈと、Ｗ相のコイル２８Ｉ，２８Ｊ，２８Ｋ，２８Ｌとが含まれている。３相のコイル２８Ａ〜２８Ｌは、互いにスター結線（Ｙ結線）されている。各相のコイル（例えば、Ｕ相のコイル２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃ，２８Ｄ）は、複数個、例えば４つのコイルをそれぞれ含んでいる。

本実施形態では、電動モータ１８の各コイル２８Ａ〜２８Ｌの両端部２９，３０が、モータハウジング１８ａから導出されている。導出された各端部２９，３０が、モータ制御装置２１に接続されている。各コイル２８Ａ〜２８Ｌは、モータ制御装置２１を介して、ＥＣＵ１７の駆動回路１７ｂに接続されている。
駆動回路１７ｂは、回転位置検出センサ１８ｅからの信号に基づいて、電動モータ１８のステータ１８ｄのコイル２８Ａ〜２８Ｌへの通電を制御する。ロータ１８ｃの磁極とコイル２８Ａ〜２８Ｌとの相対位置に基づいて各コイル２８Ａ〜２８Ｌに所定のタイミングで各相ごとに通電するようにしている。駆動回路１７ｂは、図示しないが、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、インバータ回路からの交流電力を電動モータ１８の各相のコイル２８Ａ〜２８Ｌに所定のタイミングでスイッチングして供給するスイッチング回路とを有している。各相の駆動電力は、相互に１２０度の電気角でずれるようなタイミングで供給されている。

図２は、モータ制御装置２１のブロック図である。なお、図２には、電動モータ１８のコイル２８Ａ〜２８Ｄも図示されている。図２を参照して、モータ制御装置２１は、電動モータ１８のロータ１８ｃの回転速度を検出する回転速度検出手段としての検出部３１と、各相ごとに設けられていて各コイル２８Ａ〜２８Ｌの接続状態を切り換えるための切換手段としての３つの切換部３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃとを有している。

検出部３１は、駆動回路１７ｂから供給される各相の駆動電力に基づいて、電動モータ１８のロータ１８ｃの回転速度を検出することができる。なお、ロータ１８ｃの回転速度を検出するための方法としては、回転位置検出センサ１８ｅからの信号に基づいてロータ１８ｃの回転速度を検出してもよいし、ＥＣＵ１７からの指令信号に基づいてロータ１８ｃの回転速度を間接的に検出してもよい。

切換部３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃは、制御部としてのマイクロコンピュータ（図示せず）と、駆動回路１７ｂ、各コイル２８Ａ〜２８Ｌの両端部２９，３０等が接続される端子３３，３４，３５，３６と、これらの端子３３〜３６間を電気的に接続または遮断しマイクロコンピュータにより動作を制御される後述する複数の切換手段および接続遮断手段としてのスイッチ３７，３８，３９，４０，４１，４２とを有している。これらの各スイッチ３７〜４２は、スイッチング素子を用いて構成されている。

各切換部３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃでは、検出部３１により検出された回転速度に応じて、各スイッチ３７〜４２の動作が制御されて、第１，第２および第３のモードの何れかに択一的に相互に切り換えられる。これにより、各相ごとに割り当てられた複数のコイル２８Ａ〜２８Ｌ、例えばＵ相の４つのコイル２８Ａ〜２８Ｄの相互の接続状態としての配列が、第１，第２および第３のモードにそれぞれ対応する３つの配列に切り換えられる（図４，図６，図８参照）。

図２を参照して、切換部３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃは、各相ごとに設けられている。Ｕ相用の切換部３２Ａと、Ｖ相用の切換部３２Ｂと、Ｗ相用の切換部３２Ｃとは、互いに同様に構成されていて、同様に動作する。以下では、Ｕ相用の切換部３２Ａを中心に説明する。
Ｕ相用の切換部３２Ａは、Ｕ相の駆動電力が入力される入力端子３３と、中性点Ｎに接続される中性点端子３４と、Ｕ相の複数のコイル２８Ａ〜２８Ｄの一端２９がそれぞれ接続される複数の第１の端子３５と、Ｕ相の複数のコイル２８Ａ〜２８Ｄの他端３０がそれぞれ接続される複数の第２の端子３６とを有している。

Ｕ相用の切換部３２Ａでは、入力端子３３に駆動回路１７ｂからのＵ相の駆動電力が供給される。各第１の端子３５には、Ｕ相の対応する第１，第２，第３および第４のコイル２８Ａ〜２８Ｄの一端２９が接続されている。各第２の端子３６には、Ｕ相の対応する第１，第２，第３および第４のコイル２８Ａ〜２８Ｄの他端３０が接続されている。
Ｖ相用の切換部３２Ｂでは、入力端子３３に駆動回路１７ｂからのＶ相の駆動電力が供給される。各第１の端子３５には、Ｖ相の対応する第１，第２，第３および第４のコイル２８Ｅ〜２８Ｈの一端２９が接続されている。各第２の端子３６には、Ｖ相の対応する第１，第２，第３および第４のコイル２８Ｅ〜２８Ｈの他端３０が接続されている。

Ｗ相用の切換部３２Ｃでは、入力端子３３に駆動回路１７ｂからのＷ相の駆動電力が供給される。各第１の端子３５には、Ｗ相の対応する第１，第２，第３および第４のコイル２８Ｉ〜２８Ｌの一端２９が接続されている。各第２の端子３６には、Ｗ相の対応する第１，第２，第３および第４のコイル２８Ｉ〜２８Ｌの他端３０が接続されている。
各相の切換部３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃの中性点端子３４同士は、互いに電気的に接続されていて、中性点Ｎを形成している。

Ｕ相用の切換部３２Ａは、第２〜第４のコイル２８Ｂ〜２８Ｄが接続された各第１の端子３５と入力端子３３とを接離可能に接続する複数、例えば３つの入力側スイッチ３７を有している。また、第１のコイル２８Ａが接続された第１の端子３５は、入力端子３３に接続されている。
また、切換部３２Ａは、以下の第１，第２，第３，第４および第５の切換スイッチ３８，３９，４０，４１，４２を有している。

第１の切換スイッチ３８は、第１および第２の状態を切り換える。第１の状態で、第１のコイル２８Ａが接続された第２の端子３６と、第２のコイル２８Ｂが接続された第２の端子３６とが通電可能に接続され、且つ、第１のコイル２８Ａが接続された第２の端子３６と、第２のコイル２８Ｂが接続された第１の端子３５とが通電不能に遮断される。第２の状態で、第１のコイル２８Ａが接続された第２の端子３６と、第２のコイル２８Ｂが接続された第２の端子３６とが遮断され、且つ、第１のコイル２８Ａが接続された第２の端子３６と、第２のコイル２８Ｂが接続された第１の端子３５とが接続される。

第２の切換スイッチ３９は、第１および第２の状態を切り換える。第１の状態で、第２のコイル２８Ｂが接続された第２の端子３６と、第３のコイル２８Ｃが接続された第２の端子３６とが接続され、且つ、第２のコイル２８Ｂが接続された第２の端子３６と、第３のコイル２８Ｃが接続された第１の端子３５とが遮断される。第２の状態で、第２のコイル２８Ｂが接続された第２の端子３６と、第３のコイル２８Ｃが接続された第２の端子３６とが遮断され、且つ、第２のコイル２８Ｂが接続された第２の端子３６と、第３のコイル２８Ｃが接続された第１の端子３５とが接続される。

第３の切換スイッチ４０は、第１および第２の状態を切り換える。第１の状態で、第３のコイル２８Ｃが接続された第２の端子３６と、中継端子４３とが接続され、且つ、第３のコイル２８Ｃが接続された第１の端子３５と、中継端子４３とが遮断される。第２の状態で、第３のコイル２８Ｃが接続された第２の端子３６と、中継端子４３とが遮断され、且つ、第３のコイル２８Ｃが接続された第１の端子３５と、中継端子４３とが接続される。ここで、中継端子４３は、第３および第４の切換スイッチ４０，４１にそれぞれ設けられ、これら両スイッチの対応する端子同士が互いに接続されている。

第４の切換スイッチ４１は、第１および第２の状態を切り換える。第１の状態で、第４のコイル２８Ｄが接続された第２の端子３６と、中継端子４３とが接続され、且つ、第４のコイル２８Ｄが接続された第１の端子３５と、中継端子４３とが遮断される。第２の状態で、第４のコイル２８Ｄが接続された第２の端子３６と、中継端子４３とが遮断され、且つ、第４のコイル２８Ｄが接続された第１の端子３５と、中継端子４３とが接続される。

第５の切換スイッチ４２は、第１および第２の状態を切り換える。第１の状態で、第４のコイル２８Ｄが接続された第２の端子３６と、中性点端子３４とが接続され、且つ、第３のコイル２８Ｃが接続された第２の端子３６と、中性点端子３４とが遮断される。第２の状態で、第４のコイル２８Ｄが接続された第２の端子３６と、中性点端子３４とが遮断され、且つ、第３のコイル２８Ｃが接続された第２の端子３６と、中性点端子３４とが接続される。

切換部３２Ａは、第１のモード（図３および図４参照）と、第２のモード（図５および図６参照）と、第３のモード（図７および図８参照）とをそれぞれ有している。これと同様に、各切換部３２Ｂ，３２Ｃも、第１〜第３のモードを有している。また、各切換部３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃは、任意のタイミングで、互いに同じモードになるように、制御されている。

図３は、第１のモードの切換部３２Ａの模式図である。図４は、各切換部３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃが第１のモードとされたときの電動モータ１８の各コイル２８Ａ〜２８Ｌの配列を示す模式図である。
第１のモードでは、第２，第３および第４のコイル２８Ｂ，２８Ｃ，２８Ｄに関する入力側スイッチ３７が遮断状態とされている。入力端子３３は、第１のコイル２８Ａが接続された第１の端子３５にのみ接続されている。第１の切換スイッチ３８は、第２の状態とされている。第２の切換スイッチ３９は、第２の状態とされている。第３の切換スイッチ４０は、第１の状態とされている。第４の切換スイッチ４１は、第２の状態とされている。第５の切換スイッチ４２は、第１の状態とされている。

これにより、Ｕ相の４つのコイル２８Ａ〜２８Ｄは、互いに直列に接続されている。このとき、第４のコイル２８Ｄの第２の端子３６のみが、中性点Ｎを形成している。各相の中性点数は、１である。
図５は、第２のモードの切換部３２Ａの模式図である。図６は、各切換部３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃが第２のモードとされたときの電動モータ１８の各コイル２８Ａ〜２８Ｌの配列を示す模式図である。

第２のモードでは、第２のコイル２８Ｂおよび第３のコイル２８Ｃに関する入力側スイッチ３７が遮断状態とされている。第４のコイル２８Ｄに関する入力側スイッチ３７が接続状態とされている。これにより、第１のコイル２８Ａおよび第４のコイル２８Ｄが接続された第１の端子３５が、入力端子３３に接続されている。第１の切換スイッチ３８は、第２の状態とされている。第２の切換スイッチ３９は、第１の状態とされている。第３の切換スイッチ４０は、第２の状態とされている。第４の切換スイッチ４１は、第１の状態とされている。第５の切換スイッチ４２は、第２の状態とされている。

これにより、第１のコイル２８Ａと第２のコイル２８Ｂとは、互いに直列に接続されていて、第１のコイル群を構成している。第３のコイル２８Ｃと第４のコイル２８Ｄとは、互いに直列に接続されていて、第２のコイル群を構成している。第１および第２のコイル群が互いに並列接続されていて、Ｕ相の４つのコイル２８Ａ〜２８Ｄは、互いに直並列接続されている。このときの各相における並列回路数は２である。また、第２のコイル２８Ｂが接続された第２の端子３６と、第３のコイル２８Ｃが接続された第２の端子３６とが、それぞれ、中性点Ｎを形成している。各相の中性点数は２である。

図７は、第３のモードの切換部３２Ａの模式図である。図８は、各切換部３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃが第３のモードとされたときの電動モータ１８の各コイル２８Ａ〜２８Ｌの配列を示す模式図である。
第３のモードでは、第２のコイル２８Ｂ、第３のコイル２８Ｃおよび第４のコイル２８Ｄに関する入力側スイッチ３７がそれぞれ接続状態とされている。これにより、各コイル２８Ａ〜２８Ｄが接続された第１の端子３５が、入力端子３３にそれぞれ接続されている。第１の切換スイッチ３８は、第１の状態とされている。第２の切換スイッチ３９は、第１の状態とされている。第３の切換スイッチ４０は、第１の状態とされている。第４の切換スイッチ４１は、第１の状態とされている。第５の切換スイッチ４２は、第１の状態とされている。

これにより、Ｕ相の４つのコイル２８Ａ〜２８Ｄは、互いに並列に接続されている。このときの各相における並列回路数は４である。また、各コイル２８Ａ〜２８Ｄが接続された各第２の端子３６が、中性点Ｎを形成している。各相の中性点数は４である。
図９は、電動モータ１８のロータ１８ｃの回転速度と出力トルクとの関係である出力特性のグラフであり、横軸に回転速度を、縦軸に出力トルクを示す。

モータ制御装置２１の各切換部３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃが第１〜第３のモードにされるのに応じて、電動モータ１８の出力特性、すなわち、回転速度と出力トルクとの関係は、図９の一点鎖線Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３にそれぞれ示すように変化する。
図４、図６および図８を参照して、第１のモードでは、各相、例えばＵ相において、複数のコイル２８Ａ〜２８Ｄの配列は、互いに直列接続された配列とされる。第２のモードでは、各相、例えばＵ相において、複数のコイル２８Ａ〜２８Ｄの配列は、互いに直並列接続された配列とされる。第３のモードでは、各相、例えばＵ相において、複数のコイル２８Ａ〜２８Ｄの配列は、互いに並列接続された配列とされる。一方で、通例、電源２０からの電流量および電圧の上限は規制されている。

従って、第１のモードでは、後述するように第２および第３のモードに比べて、各相の各コイル２８Ａ〜２８Ｌに流れる電流量が相対的に大きくなり、各コイル２８Ａ〜２８Ｌに印加される電圧が低くなる。その結果、図９の線Ｘ１に示すように、最高回転速度は低くなるが、低速での出力トルクは相対的に高くなる。
第２のモードでは、第１のモードに比べて、各相の各コイル２８Ａ〜２８Ｌに流れる電流量が相対的に小さくなる一方で、各コイル２８Ａ〜２８Ｌに印加される電圧が高くなる。その結果、図９の線Ｘ２に示すように、第２のモードでの最高回転速度は、第１のモードと比較して、２倍に高くなる。第２のモードでの低速での出力トルクは、第１のモードよりも低くなる。回転速度がほぼ０のときの出力トルクで比較すると、第２のモードの出力トルクは、第１のモードに比べて半分になる。

第３のモードでは、第２のモードに比べて、各相の各コイル２８Ａ〜２８Ｌに流れる電流量が相対的により小さくなり、各コイル２８Ａ〜２８Ｌに印加される電圧がより高くなる。その結果、図９の線Ｘ３に示すように、第３のモードでの最高回転速度は、第１のモードに比べて、４倍に高くなる。第３のモードでの低速での出力トルクは、第１のモードに比べて、より低くなる。回転速度がほぼ０のときの出力トルクで比較すると、第３のモードの出力トルクは、第１のモードに比べて４分の１になる。

モータ制御装置２１は、回転速度が低速のときには、各切換部３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃをそれぞれ第１のモードにし、より高速になるにしたがって、第２のモードに切り換え、さらに第３のモードに切り換えるようにしている。すなわち、回転速度が高くなるにしたがって、直並列または並列接続のときに互いに並列接続された並列回路数が多くなるように、配列が切り換えられる。これにより、電動モータ１８の出力特性は、図９の実線Ｘ４で示すようになる。線Ｘ４は、複数の線分Ｘ４１，Ｘ４２，Ｘ４３をつないだ折れ線である。

図２および図９を参照して、具体的に、ロータ１８ｃの回転速度が徐々に高くなるときに則して説明すると、モータ制御装置２１の検出部３１が、ロータ１８ｃの回転速度を常時検知している。検出された回転速度が、第１の速度領域Ｖ１、すなわち、零から第１の回転速度Ｎ１未満の範囲内の値であるときには、各相の切換部３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃは、第１のモードとされる。このときの出力特性は、線Ｘ４の線分Ｘ４１に示すようになる。この第１の速度領域Ｖ１においては、第１のモードで得られる出力トルクは、第２のモードで得られる出力トルクよりも高く、また、第３のモードで得られる出力トルクよりも高くなっている。

回転速度が高くなり、検出された回転速度が、第１の回転速度Ｎ１に達すると、検出部３１は、第１のモードを第２のモードに切り換える切換信号を、各相の切換部３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃに送る。この指令信号に応答して、各相の切換部３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃは、第１のモードを、第２のモードに切り換える。
回転速度が高くなり、検出された回転速度が、第２の速度領域Ｖ２、すなわち、第１の回転速度Ｎ１以上且つ第２の回転速度Ｎ２未満の範囲内の値であるときには、各相の切換部３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃは、第２のモードとされている。第２の速度領域Ｖ２においては、図９の線Ｘ４の線分Ｘ４２で示すような出力特性が得られる。第２の速度領域Ｖ２で第２のモードで得られる出力トルクは、第１のモードで得られる出力トルクよりも高くなっていて、且つ第３のモードで得られる出力トルクよりも高くなっている。

回転速度が高くなり、検出された回転速度が、第２の回転速度Ｎ２に達すると、検出部３１は、第２のモードを第３のモードに切り換える切換信号を、各相の切換部３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃに送る。この指令信号に応答して、各相の切換部３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃは、第２のモードを、第３のモードに切り換える。
回転速度が高くなり、検出された回転速度が、第３の速度領域Ｖ３、すなわち、第２の回転速度Ｎ２以上且つ上限値以下の範囲内の値のときには、各相の切換部３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃは、第３のモードとされている。第３の速度領域Ｖ３では、図９の線Ｘ４の線分Ｘ４３で示すような出力特性が得られる。第３の速度領域Ｖ３においては、第３のモードで得られる出力トルクは、第２のモードで得られる出力トルクよりも高く、また、第１のモードで得られる出力トルクよりも高くなっている。

なお、第３のモードに関する上述の上限値は、例えば第３のモードでの最高回転速度ＮＭＡ以上の値に設定される。また、モードの切換の境界となる第１および第２の回転速度Ｎ１，Ｎ２では、切換対象のいずれのモードにされていてもよく、適宜定めることができる。
また、第１の回転速度Ｎ１は、当該第１の回転速度Ｎ１での切換対象となる２つのモードによる出力特性の線Ｘ１，Ｘ２の交点Ｐ１で決まる回転速度とされている。また、第１の回転速度Ｎ１は、第１のモードでの最高回転速度ＮＭ１よりも低い値とされている。

また、第２の回転速度Ｎ２は、当該第２の回転速度Ｎ２での切換対象となる２つのモードによる出力特性の線Ｘ２，Ｘ３の交点Ｐ２で決まる回転速度とされている。また、第２の回転速度Ｎ２は、第２のモードでの最高回転速度ＮＭ２よりも低い値とされている。
また、モードを切り換えるための上述の回転速度は、上述の第１および第２の回転速度Ｎ１，Ｎ２の他、この値に近接した値、例えばこの値を中心値として、±１％の値の範囲内の値に設定してもよい。この場合、第１および第２の回転速度Ｎ１，Ｎ２で切り換える場合と実質的に同等の効果を得ることができる。

本実施形態のモータ制御装置２１は、各相コイル２８Ａ〜２８Ｌが複数のコイル２８Ａ〜２８Ｌを有するステータ１８ｄを備えた電動モータ１８を制御するモータ制御装置２１において、上記電動モータ１８の回転速度を検出する回転速度検出手段としての検出部３１と、この検出部３１によって検出された回転速度に応じて、各相におけるコイル２８Ａ〜２８Ｌの配列を切り換えるための切換手段としての切換部３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃとを備えたことを特徴としている。

これにより、例えば、検出された回転速度が低速のときには、各相コイルに含まれる複数のコイル２８Ａ〜２８Ｌの配列を、互いに直列接続された配列とし、回転速度が高速になると、各相コイル２８Ａ〜２８Ｌに含まれる複数のコイル２８Ａ〜２８Ｌの配列を、互いに並列接続された配列に切り換えることが可能となる。並列接続された配列では、１つのコイル２８Ａ〜２８Ｌあたりの電流量は小さくなり、電圧は高くなる。その結果、相対的に高い回転速度範囲での出力トルクが高まる。逆に、直列接続された配列のときには、１つのコイル２８Ａ〜２８Ｌあたりの電流量は多くなり、電圧は低くなる。その結果、相対的に低い回転速度範囲での出力トルクが高くなる。従って、広い速度範囲にわたって出力トルクを高めることができる。

しかも、複数のコイル２８Ａ〜２８Ｌの配列の切り換えは、スイッチ等の簡素な構造で安価に実現できる。従って、製造コストを低減することができる。
また、出力トルクの向上を、複数のコイル２８Ａ〜２８Ｌの配列の切り換えにより達成するので、出力トルクの向上のための高価な昇圧回路を用いずに済ますことも可能であり、より一層安価にすることもできる。または、昇圧回路を用いて、広い速度範囲にわたって出力トルクをより一層高めることもできる。

なお、上述の配列としては、直列接続された配列および並列接続された配列に限らず、各相において複数のコイルが互いに直並列接続された配列であってもよいし、さらに各相において複数のコイルが互いに直並列接続された配列が複数の態様で考えられるときには、これら複数の態様のいずれかであってもよい。従って、これらの配列を互いに切り換えるようにしてもよい。

また、本実施形態において、上記配列は、回転速度の異なる複数の速度領域にそれぞれ対応する配列を含んでいる。回転速度が相対的に高い速度領域に対応する配列における各相の並列回路数が、回転速度が相対的に低い速度領域に対応する配列における各相の並列回路数（零を含む）よりも多いようにしている。
この場合、広い速度範囲にわたって出力トルクを高めることが確実に達成できる。なお、並列回路数が零を含むというのは、回転速度が相対的に低い速度領域に対応する上記配列が、各相における複数のコイル２８Ａ〜２８Ｌが互いに直列接続された配列である場合を含む趣旨であり、このように直列接続された配列では、並列回路数を零とする。

例えば、第１の速度領域Ｖ１での配列は、Ｕ相における４つのコイル２８Ａ〜２８Ｄが互いに直列接続された配列（図４参照）であり、この場合のＵ相の並列回路数は零である。第２の速度領域Ｖ２での配列は、Ｕ相における４つのコイル２８Ａ〜２８Ｄが互いに直並列接続された配列（図６参照）であり、この場合のＵ相の並列回路数は２である。第３の速度領域Ｖ３での配列は、Ｕ相における４つのコイル２８Ａ〜２８Ｄが互いに並列接続された配列（図６参照）であり、この場合のＵ相の並列回路数は４である。

回転速度が相対的に高い速度領域として第３の速度領域Ｖ３を考えたときの対応する配列の並列回路数は４であり、回転速度が相対的に低い速度領域として第２の速度領域Ｖ２を考えたときの対応する配列の並列回路数の２よりも多くなっている。また、回転速度が相対的に高い速度領域として第２の速度領域Ｖ２を考えたときの対応する配列の並列回路数は２であり、回転速度が相対的に低い速度領域として第１の速度領域Ｖ１を考えたときの対応する配列の並列回路数の零よりも多くなっている。

また、本実施形態において、上記切換手段としての切換部３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃによって、各相のコイル２８Ａ〜２８Ｌが任意の１つの配列から別の配列に切り換えられるときの回転速度、例えば第１および第２の回転速度Ｎ１，Ｎ２は、当該切り換えに際して、電動モータ１８の出力トルクが変化しない回転速度に設定されている。この場合、各相のコイル２８Ａ〜２８Ｌが任意の１つの配列から別の配列に切り換えられるときに、出力トルクが急激に減少したり急激に増加したりすることが防止される結果、広い速度範囲にわたって出力トルクを効果的に高めることができる。

例えば、回転速度が徐々に高くされる途中で第１の回転速度Ｎ１に達した場合において、上記任意の１つの配列としての第１のモードでの直列接続された配列（図４参照）から別の配列としての第２のモードでの直並列接続された配列（図６参照）に切り換えられるときに、第１の回転速度Ｎ１における第１のモードでの出力トルク（図９の線分Ｘ４１上の第１の回転速度Ｎ１での出力トルク）と、第１の回転速度Ｎ１における第２のモードでの出力トルク（図９の線分Ｘ４２上の第１の回転速度Ｎ１での出力トルク）とが、等しくされている。

同様に、回転速度が徐々に高くされる途中で第２の回転速度Ｎ２に達した場合において、上記任意の１つの配列としての第２のモードでの直並列接続された配列（図６参照）から別の配列としての第３のモードでの並列接続された配列（図８参照）に切り換えられるときにおいても、線分Ｘ４２上の第２の回転速度Ｎ２での出力トルクと、線分Ｘ４３上の第２の回転速度Ｎ２での出力トルクとが等しくされている。

また、上記切換手段としての切換部３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃによって、各相のコイル２８Ａ〜２８Ｌが任意の１つの配列から別の配列に切り換えられるときの回転速度、例えば第１および第２の回転速度Ｎ１，Ｎ２は、当該切り換えに際して、電動モータ１８の出力トルクが実質的に変化しない回転速度に設定されていてもよい。この場合にも、切り換えの回転速度が、出力トルクが変化しない回転速度に設定された上述の場合と同様の効果を実質的に得ることができる。ここで、出力トルクが実質的に変化しないとは、切り換えに際して、出力トルクが変化したときの変化量が、全回転速度域における当該電動モータ１８の最大出力トルクの１％以下に抑制されている場合をも含む趣旨である。

また、このようなモータ制御装置２１は、これにより制御されて操舵補助力を得るための電動モータ１８を備える電動パワーステアリング装置１に適用されるのが好ましい。すなわち、より高速回転において、出力トルクを高めることができるので、急激なハンドル操作がなされたときに、操舵補助力を十分な大きさで付与することが確実にできる。従って、操舵感の良好な電動パワーステアリング装置１を安価に実現することができる。

また、本実施形態について、以下のような変形例を考えることができる。以下の説明では、上述の実施形態と異なる点を中心に説明し、同様の構成については同じ符号を付して説明を省略する。
例えば、上述の各スイッチ３７〜４２は、ステッピングモータにより操作子が操作されて機械的に切り換えられるスイッチであってもよい。

また、上述の実施形態では、第１，第２および第３の速度領域Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３に応じて、３つのモードが切り換えられていたが、これには限定されず、例えば第１の回転速度Ｎ１で第１および第２のモードを切り換えるだけでもよいし、第２の回転速度Ｎ２で第２および第３のモードを切り換えるだけでもよい。また、第１のモードと第３のモードとを切り換えることも考えられる。この場合、例えば図９の線Ｘ１と線Ｘ２との交点に相当する回転速度で切り換えることが考えられる。

また、上述のモードの数は、電動モータのロータの磁極の数、ステータのコイルの数に応じても異なることがある。例えば、上述の電動モータでのモードの数の最大値としては、［（ステータのコイル数）−（ロータの磁極の数）］の約数の個数に一致する。上述の実施形態では、上述の約数は、１，２，４の３個となり、モード数の最大値も３になる。また、コイルが２４個で、ロータの磁極が１６個の電動モータの場合には、上述の約数は、１，２，４，８の４個で、４つのモードを切り換えることも可能となる。

また、電動モータとしては、ロータがステータを取り囲んでいてもよいし、ロータの磁極とステータコアの磁極とが軸方向に対向する場合も考えられる。
また、上述のモータ制御装置２１は、モータ１８およびＥＣＵ１７とは、別体で設けられていたが、これには限定されず、例えばモータ制御装置２１の少なくとも一部が、モータ１８に一体に設けられていてもよいし、またはＥＣＵ１７に一体に設けられていてもよい。その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

本発明の一実施形態のモータ制御装置が適用された電動パワーステアリング装置の概略構成の模式図である。 図１に示すモータ制御装置のブロック図である。 図１に示すモータ制御装置の第１のモードの切換部の模式図である。 図１に示すモータ制御装置の第１のモードでの電動モータの各コイルの配列を示す模式図である。 図１に示すモータ制御装置の第２のモードの切換部の模式図である。 図１に示すモータ制御装置の第２のモードでの電動モータの各コイルの配列を示す模式図である。 図１に示すモータ制御装置の第３のモードの切換部の模式図である。 図１に示すモータ制御装置の第３のモードでの電動モータの各コイルの配列を示す模式図である。 図１の電動モータの出力特性のグラフであり、横軸に回転速度を、縦軸に出力トルクを示す。

符号の説明

１８…電動モータ、１８ｄ…ステータ、２１…モータ制御装置、２８Ａ〜２８Ｌ…コイル、３１…検出部（回転速度検出手段）、３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ…切換部（切換手段）、Ｖ１…第１の速度領域（速度領域）、Ｖ２…第２の速度領域（速度領域）、Ｖ３…第３の速度領域（速度領域）

Claims (3)

1. 各相コイルが第１〜第４の４つのコイルを有するステータを備えた電動モータを制御するためのモータ制御装置において、
   上記電動モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、
   この回転速度検出手段によって検出された回転速度に応じて、各相におけるコイルの配列を切り換えるための切換手段とを備え、
   各相における切換手段は、
   駆動電力が入力される入力端子と、
   中性点に接続される中性点端子と、
   第１〜第４のコイルの一端がそれぞれ接続される４つの第１の端子と、
   第１〜第４のコイルの他端がそれぞれ接続される４つの第２の端子と、
   第３のコイルが接続された第１の端子または第２の端子と、第４のコイルが接続された第１の端子または第２の端子とを中継する中継端子と、
   第２〜第４のコイルが接続された３つの第１の端子のそれぞれと入力端子とを接離可能に接続する３つの入力側スイッチと、
   第１のコイルが接続された第２の端子と、第２のコイルが接続された第１の端子または第２の端子との接続状態を切り換える第１の切換スイッチと、
   第２のコイルが接続された第２の端子と、第３のコイルが接続された第１の端子または第２の端子との接続状態を切り換える第２の切換スイッチと、
   中継端子と、第３のコイルが接続された第１の端子または第２の端子との接続状態を切り換える第３の切換スイッチと、
   中継端子と、第４のコイルが接続された第１の端子または第２の端子との接続状態を切り換える第４の切換スイッチと、
   中性点端子と、第３のコイルが接続された第２の端子または第４のコイルが接続された第２の端子との接続状態を切り換える第５の切換スイッチとを有し、
   第１のコイルが接続された第１の端子は、入力端子に接続されていることを特徴とするモータ制御装置。
2. 請求項１において、
   上記配列は、回転速度の異なる複数の速度領域にそれぞれ対応する配列を含み、
   回転速度が相対的に高い速度領域に対応する配列における各相の並列回路数が、回転速度が相対的に低い速度領域に対応する配列における各相の並列回路数（零を含む）よりも多いことを特徴とするモータ制御装置。
3. 請求項２において、
   上記切換手段によって、各相のコイルが任意の１つの配列から別の配列に切り換えられるときの回転速度は、当該切り換えに際して、電動モータの出力トルクが変化しない回転速度に設定されていることを特徴とするモータ制御装置。

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