JP7283402B2 - 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。

従来、インバータが供給する電力により多相モータの駆動を制御するモータ制御装置において、インバータの上側及び下側スイッチング素子間の発熱温度の差を減少させる技術が知られている。

例えば特許文献１に開示されたスイッチング制御装置は、空冷方式での送風方向や水冷方式での水路位置による上側及び下側スイッチング素子間の発熱温度差に着目している。このスイッチング制御装置は、ＰＷＭ制御のＤｕｔｙ比の上限値を設定し、さらなる高出力が必要なときには、ＤＣ－ＤＣコンバータの出力を上げることにより、上側及び下側スイッチング素子間の発熱温度差の増大を防止する。

特開２０１５－１４２４１８号公報

本明細書では、インバータを構成する複数のスイッチング素子を「インバータ素子」という。そのうち、上アームのスイッチング素子を「上アーム素子」といい、下アーム素子スイッチング素子を「下アーム素子」という。また、インバータと同一の基板に搭載されたインバータ周辺の素子を「周辺素子」という。

特許文献１には、インバータ素子以外の周辺素子の影響について言及されていない。例えば、各相の下アーム素子に電流検出用のシャント抵抗が接続された構成では、周辺素子であるシャント抵抗の発熱により、下アーム素子が上アーム素子よりも温度上昇しやすくなる。また、上アーム素子と下アーム素子との定格温度が異なる場合、上下アーム素子の温度を均等にすることが最適とは限らない。

また、コンデンサ等の周辺素子がインバータ素子の発熱の影響を受ける構成において、上下アーム素子の発熱均等化よりも優先して、周辺素子の発熱抑制が求められる場合がある。さらに、例えば三相のうち特定相のインバータ素子が、隣接する周辺素子の発熱の影響を大きく受ける場合等、特定相の発熱を優先して低減することが求められる。これらの課題に対する解決について特許文献１には何ら言及されていない。

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、複数のインバータ素子又は周辺素子の温度の偏りを適切に解消するモータ制御装置を提供することにある。

本発明は、多相モータ（８０）の駆動を制御するモータ制御装置である。このモータ制御装置は、インバータ（６０）と、複数の周辺素子（５４－５８）と、電圧指令演算部（２７）と、ＰＷＭ変調器（２９）と、Ｄｕｔｙ比調整部（３０）と、を備える。インバータは、多相の上アーム素子（６１、６２、６３）及び下アーム素子（６４、６５、６６）からなる複数のインバータ素子がブリッジ接続されている。

周辺素子は、インバータと同一の基板（４０）に搭載されている。本発明の第一態様では、周辺素子は、自身の温度上昇がインバータ素子の温度に影響を与える。本発明の第二態様では、周辺素子は、インバータ素子の発熱の影響を受けて温度上昇する。実際には、インバータ素子と周辺素子との間で相互に熱の授受が行われるが、第一態様では、周辺素子における熱を与える側としての側面に着目し、第二態様では、周辺素子における熱を受ける側としての側面に着目する。

電圧指令演算部は、複数の周辺素子の一部である複数の電流検出器（５４、５５、５６）が検出した相電流検出値に基づいて、多相モータに印加する電圧指令を演算する。典型的に電流検出器は、各相のインバータ素子に接続されたシャント抵抗で構成されている。

ＰＷＭ変調器は、電圧指令から換算された各相のＤｕｔｙ比とキャリアとを比較するＰＷＭ制御により、インバータのスイッチング周期における上アーム素子及び下アーム素子の通電時間配分を決定する。Ｄｕｔｙ比調整部は、ＰＷＭ制御における各相のＤｕｔｙ比を調整する。

各素子の定格温度から推定温度を減じた温度差分を「余裕度」と定義する。インバータの通電に関するいずれかの検出値に基づき、又は、設計予測に基づき、第一、第二態様におけるそれぞれの「余裕度の差」が余裕度差閾値以上であると認められるとき、Ｄｕｔｙ比調整部は、余裕度の差を低減するように、各相のＤｕｔｙ比を調整する。なお、「設計予測に基づき」とは、回路への通電時に余裕度の偏りが必然的に生じることがわかっている場合にその知見に基づくことを意味する。この場合を含めて、「余裕度の差が余裕度差閾値以上であると認められるとき」と表す。

第一態様における「余裕度の差」は、「少なくとも一相の上アーム素子と下アーム素子との間での余裕度の差、又は、複数相のインバータ素子の相間での余裕度の差」である。この余裕度の差が余裕度差閾値以上であると認められるとき、Ｄｕｔｙ比調整部は、余裕度が相対的に小さいインバータ素子の温度上昇を抑制し、余裕度の差を低減するように、各相のＤｕｔｙ比を調整する。

例えば、下アーム素子の余裕度が上アーム素子の余裕度より小さいとき、Ｄｕｔｙ比調整部は、上アーム素子の通電時間を長くし、下アーム素子の通電時間を短くするように各相のＤｕｔｙ比を共通のオフセット量によりオフセットさせる。また、三相インバータにおいてＵ相素子の余裕度がＶ相、Ｗ相の余裕度より小さいとき、Ｄｕｔｙ比調整部は、Ｕ相を発熱低減相として選択し、Ｕ相の電流振幅の絶対値のピークを低減するように、相ごとにＤｕｔｙ比を調整する。こうして余裕度の差を低減することにより、複数のインバータ素子の温度の偏りを適切に解消することができる。

第二態様における「余裕度の差」は、「いずれかの周辺素子といずれかのインバータ素子との間、又は、複数の周辺素子同士の間での余裕度の差」である。この余裕度の差が余裕度差閾値以上であると認められるとき、Ｄｕｔｙ比調整部は、余裕度が相対的に小さい周辺素子もしくはインバータ素子の温度上昇を抑制し、余裕度の差を低減するように、各相のＤｕｔｙ比を調整する。

例えば、上アーム素子側に配置され上アーム素子の発熱の影響をより大きく受ける周辺素子を上部エリア周辺素子と定義し、下アーム素子側に配置され下アーム素子の発熱の影響をより大きく受ける周辺素子を下部エリア周辺素子と定義する。そして、第一態様における上下アーム素子間での余裕度の差の低減処理が、上部エリア周辺素子及び下部エリア周辺素子を含めた範囲にまで拡張されることで、周辺素子とインバータ素子との温度の偏りや、複数の周辺素子同士の温度の偏りを適切に解消することができる。

各実施形態によるモータ制御装置の全体構成図。 制御演算部の制御ブロック図。 第１実施形態での素子の基板配置を示す模式図。 第１実施形態によるＤｕｔｙ比調整処理のフローチャート。 Ｄｕｔｙ比オフセット前の電気角一周期における各パラメータの波形図。 Ｄｕｔｙ比オフセット後の電気角一周期における各パラメータの波形図。 （ａ）、（ｂ）オフセット量の算出に用いる余裕度差の選択を説明する図。 第１実施形態の変形例での素子の基板配置を示す模式図。 第２実施形態での素子の基板配置を示す模式図。 第２実施形態によるＤｕｔｙ比調整処理のフローチャート。 第３実施形態での素子の基板配置を示す模式図。 第３実施形態によるＤｕｔｙ比調整処理のフローチャート。 振幅係数乗算方式での電気角一周期における各パラメータの波形図。 振幅係数乗算方式の演算方法を説明する波形図。 振幅制限方式での電気角一周期における各パラメータの波形図。 振幅制限方式の演算方法を説明する波形図。 第４実施形態でのロック時の課題を説明する波形図。 ロック時における（ａ）目標トルクへの追従、（ｂ）素子の過熱保護の観点での制御切替処理のフローチャート。 その他の実施形態による相ごとの配分方式を説明する波形図。

以下、本発明によるモータ制御装置の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。複数の実施形態で実質的に同一の構成、又はフローチャートにおける実質的に同一のステップには、同一の符号又はステップ番号を付して説明を省略する。第１～第４実施形態を包括して「本実施形態」という。本実施形態のモータ制御装置は、「多相モータ」の具体例として、車両の電動ブレーキ等においてトルクを出力する三相モータの駆動を制御する。

［全体構成］
最初に図１、図２を参照し、各実施形態に共通するモータ制御装置の全体構成について説明する。モータ制御装置２００は、バッテリ１５と三相モータ８０との間に設けられ、インバータ６０、シャント抵抗５４、５５、５６、コンデンサ５７Ｃ、及び、制御演算部２０等を含む。制御演算部２０がＰＷＭ制御によってインバータ６０をスイッチング動作させ、インバータ６０が所望の電力を三相モータ８０に供給することで、モータ制御装置２００は三相モータ８０の駆動を制御する。三相モータ８０の電気角θは、例えば回転角センサ８５により検出される。以下、「三相モータ８０」を単に「モータ８０」と省略する。

インバータ（図２では「ＩＮＶ」と記す。）６０は、三相の上アーム素子６１、６２、６３及び下アーム素子６４、６５、６６からなる複数のインバータ素子がブリッジ接続されている。インバータ６０は、電源線Ｌｐを介してバッテリ１５の正極に接続され、グランド線Ｌｇを介してバッテリ１５の負極に接続されており、インバータ素子６１－６６のスイッチング動作によりバッテリ１５の直流電力を三相交流電力に変換してモータ８０の三相巻線に電圧を印加する。

詳しくは、インバータ素子６１、６２、６３は、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の上アーム素子であり、インバータ素子６４、６５、６６は、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の下アーム素子である。インバータ素子６１－６６は、例えばＭＯＳＦＥＴである。その他、ＭＯＳＦＥＴ以外の電界効果トランジスタやＩＧＢＴ等が用いられてもよい。

図１の構成例では、各相の下アーム素子６４、６５、６６とグランド線Ｌｇとの間に、「電流検出器」としてのシャント抵抗５４、５５、５６が接続されている。この例では、下アーム素子６４、６５、６６が「シャント抵抗側インバータ素子」に相当し、上アーム素子６１、６２、６３が「反シャント抵抗側インバータ素子」に相当する。シャント抵抗５４、５５、５６が検出した各相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは制御演算部２０に取得される。コンデンサ５７Ｃは、インバータ６０のバッテリ１５側に設けられ、バッテリ１５から供給される電圧を平滑化したり、インバータ６０のスイッチングノイズがバッテリ１５側に伝播することを防いだりする。

ここで、シャント抵抗５４、５５、５６及びコンデンサ５７Ｃは、いずれもインバータ６０と同一の基板に搭載されており、インバータ素子６１－６６との間で相互に熱の授受が行われる。また、制御演算部２０が設けられるＩＣ５８Ａも、インバータ６０と同一の基板に搭載されており、インバータ素子６１－６６との間で相互に熱の授受が行われる。これらの部品を包括して「周辺素子」と定義する。本実施形態における「周辺素子」には、ダイオード、コイル、チップ素子等の回路素子に限らず、図３等に示される「モータ以外の負荷」等も含むように拡張解釈される。

周辺素子は、自身の温度上昇がインバータ素子６１－６６の温度に影響を与える熱源としての側面と、インバータ素子６１－６６の発熱の影響を受けて温度上昇する受熱体としての側面とを併せ持つ。本明細書において、「発熱」とは自身の通電による発熱を意味する。「温度上昇」には、自身の発熱及び他からの受熱による温度上昇を含む。

一実施例としてモータ制御装置２００は、上アーム素子６１、６２、６３のエリアと、下アーム素子６４、６５、６６及びシャント抵抗５４、５５、５６のエリアとに、それぞれ破線で示す温度検出器７１、７４を備えてもよい。温度検出器７１は、「一相以上の反シャント抵抗側インバータ素子」である上アーム素子６１、６２、６３の温度ＴＨ＿ｓｎｓを検出する。温度検出器７４は、「一相以上のシャント抵抗側インバータ素子」である下アーム素子６４、６５、６６の温度ＴＬ＿ｓｎｓを検出する。複数の温度検出器を使うことで回路の熱偏りを正確に検出できる。

図２に制御演算部２０の構成を示す。制御演算部２０が設けられるＩＣ５８Ａは、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ、及び、これらの構成を接続するバスライン等を備えている。制御演算部２０は、予め記憶されたプログラムをＣＰＵで実行することによるソフトウェア処理や、専用の電子回路によるハードウェア処理による制御を実行する。

制御演算部２０は、速度及び電流のフィードバック制御により演算した電圧指令に基づき、ＰＷＭ制御により駆動信号を生成する。制御演算部２０は、基本構成として、微分器２１、速度偏差算出部２２、速度制御器２３、電流指令生成部２４、三相二相変換部２５、電流偏差算出部２６、電流制御器２７、二相三相変換部２８、ＰＷＭ変調器２９及びＤｕｔｙ比調整部３０を含む。また制御部２０は、破線で示すオプション構成として、素子温度推定部３１、ロック判定部３２等を含んでもよい。

微分器２１は、回転角センサ８５が検出した電気角θを時間微分して速度（すなわち角速度）ωを算出する。速度偏差算出部２２は、上位の車両制御回路から入力された速度指令ω^*と速度ωとの速度偏差Δωを算出する。速度制御器２３は、速度偏差Δωを０に近づけるようにトルク指令τ^*を演算する。電流指令生成部２４は、トルク指令τ^*に基づいてｄｑ軸電流指令Ｉｄ^*、Ｉｑ^*を演算する。ｄｑ軸電流指令Ｉｄ^*、Ｉｑ^*に従ってモータ８０に電流が通電されることで、モータ８０は、トルク指令τ^*に応じたトルクを出力する。

三相二相変換部２５は、電気角θを用いて三相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗをｄｑ軸電流Ｉｄ、Ｉｑにｄｑ変換する。電流偏差算出部２６は、ｄｑ軸電流指令Ｉｄ^*、Ｉｑ^*とｄｑ軸電流Ｉｄ、Ｉｑとの電流偏差ΔＩｄ、ΔＩｑを算出する。電流制御器２７は、電流偏差ΔＩｄ、ΔＩｑを０に近づけるようにｄｑ軸電圧指令Ｖｄ^*、Ｖｑ^*を演算する。電流制御器２７は、「シャント抵抗５４、５５、５６が検出した相電流検出値に基づいて、モータ８０に印加する電圧指令を演算する電圧指令演算部」に相当する。二相三相変換部２８は、電気角θを用いてｄｑ軸電圧指令Ｖｄ^*、Ｖｑ^*を三相電圧指令Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*にｄｑ変換する。

ＰＷＭ変調器２９は、三相電圧指令Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*から換算された各相のＤｕｔｙ比とキャリアとを比較するＰＷＭ制御により、ＰＷＭ信号を生成する。ＰＷＭ信号では、インバータ６０のスイッチング周期における上アーム素子及び下アーム素子の通電時間配分が決定される。本実施形態での「Ｄｕｔｙ比」は、インバータ６０のスイッチング周期に対する上アーム素子のＯＮ時間の比率を表す指令値である。ＰＷＭ変調器２９が生成したＰＷＭ信号は、各インバータ素子６１－６６に出力される。

一般的なモータ制御装置では、三相電圧指令Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*から換算された各相のＤｕｔｙ比は、そのままＰＷＭ制御に用いられる。これに対し本実施形態では、Ｄｕｔｙ比調整部３０は、下記のような条件に応じて、ＰＷＭ制御における各相のＤｕｔｙ比を調整する。例えばＤｕｔｙ比調整部３０は、素子温度推定部３１が推定した素子温度に基づき各相のＤｕｔｙ比を調整する。ここで、「素子温度」は、「インバータ素子又は周辺素子の温度」を意味する。

温度センサ７１、７４を備えるモータ制御装置２００では、素子温度推定部３１は、温度検出値ＴＨ＿ｓｎｓ、ＴＬ＿ｓｎｓに基づいて素子温度を推定する。例えば、素子温度推定部３１は、取得した温度検出値ＴＨ＿ｓｎｓ、ＴＬ＿ｓｎｓをそのまま素子温度とみなす場合や、温度センサ７１、７４から素子までの熱抵抗等の伝熱特性に応じて温度検出値ＴＨ＿ｓｎｓ、ＴＬ＿ｓｎｓを補正して素子温度を推定する場合がある。本明細書では、温度検出値ＴＨ＿ｓｎｓ、ＴＬ＿ｓｎｓがそのまま素子温度とみなされる場合を含め、検出温度が「推定温度」に含まれるものとする。

温度センサ７１、７４を備えないモータ制御装置２００では、素子温度推定部３１は、「インバータ６０の通電に関する温度以外の検出値」に基づいて素子温度を推定する。典型的には、素子温度推定部３１は、各相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの検出値と素子の抵抗とから「電流の二乗×抵抗」の積分値により温度上昇量を算出し、温度上昇量を初期温度に加算することで、素子温度を推定する。

Ｄｕｔｙ比調整部３０は、各素子の定格温度の情報を記憶しており、各素子の定格温度から推定温度を減じた温度差分を「余裕度」として算出する。ここで、余裕度算出の基準となる各素子の定格温度は、素子のデータシートやスペックの値が固定値として用いられてもよく、寿命設計等の設計上の理由により適宜設定されてもよい。また、駆動状態等に応じて可変の値としてもよい。

そして、着目する複数の素子、すなわち「均等化対象素子」の間で余裕度の偏りがある場合、余裕度を均等化するようにＤｕｔｙ比を調整する。ただし、設計予測に基づき、回路への通電時に余裕度の偏りが必然的に生じることがわかっている場合、Ｄｕｔｙ比調整部３０は、素子温度推定部３１から推定温度の情報を取得することなく、各相のＤｕｔｙ比を調整してもよい。また、Ｄｕｔｙ比調整部３０は、ＰＷＭ変調器２９から取得したキャリア周波数ｆｃに基づいて、後述するＯＮ時間のパルス幅が確保されるようにＤｕｔｙ比の調整範囲を決定してもよい。

また、ロック判定部３２は、モータ８０の回転速度ωが速度閾値未満のとき、「ロック時」であると判定する。第４実施形態で後述するように、Ｄｕｔｙ比調整部３０は、ロック時に、「モータ８０の回転速度ωが速度閾値以上である通常回転時」に対し制御を切り替える。例えばロック時の制御切替処理において、定格温度が切り替えられる。

続いて、Ｄｕｔｙ比調整部３０による余裕度均等化処理について、インバータ素子６１－６６及び周辺素子５４－５８の間での熱影響のパターンを場合分けして、実施形態毎に説明する。本明細書において「余裕度を均等化する」とは、必ずしも余裕度を一致させるという意味ではなく、「余裕度の差を低減する」という意味で解釈される。

（第１実施形態）
図３～図７を参照し、第１実施形態について説明する。第１実施形態では、均等化対象素子がインバータ素子であり、周辺素子はインバータ素子に対する熱源として作用するモデルを想定する。図３に示すように、基板４０に、上アーム素子６１、６２、６３、下アーム素子６４、６５、６６、シャント抵抗５４、５５、５６、及び、ＩＣやモータ以外の負荷等の周辺素子５８が搭載されている。シャント抵抗５４、５５、５６は、下アーム素子６４、６５、６６に対し上アーム素子６１、６２、６３とは反対側に配置されている。

また、Ｕ相の上下アーム素子６１、６４に隣接する位置にＩＣやモータ以外の負荷等が配置されている。本実施形態では、周辺素子の種類や機能を問わず、単にインバータ素子６１－６６に対する配置や熱影響の程度のみに注目する。そこで、Ｕ相素子６１、６４に隣接するＩＣやモータ以外の負荷を「Ｕ相エリア周辺素子５８」と表す。

また、図３に各素子の定格温度Ｔｒｔが例示される。６個のインバータ素子６１－６６の定格温度Ｔｒｔは、いずれも１７５℃で同一である。また、シャント抵抗５４、５５、５６の定格温度Ｔｒｔは１５０℃であり、Ｕ相エリア周辺素子５８の定格温度Ｔｒｔは１５０℃である。

インバータ６０に通電されると、インバータ素子６１－６６の他にシャント抵抗５４、５５、５６やＵ相エリア周辺素子５８も発熱し、両方向ブロック矢印で示すように、熱の授受が行われる。図３の例では、下アーム素子６４、６５、６６とシャント抵抗５４、５５、５６とは近接しており、それらの間の熱の授受は比較的大きい。Ｕ相エリア周辺素子５８とＵ相素子６１、６４とはやや離れており、それらの間の熱の授受は比較的小さい。

そのため、各相の上アーム素子６１、６２、６３及び下アーム素子６４、６５、６６に均等に通電すると、全体に下アーム素子６４、６５、６６が上アーム素子６１、６２、６３よりも早く温度上昇し、特にＵ相下アーム素子６４が早く温度上昇して定格温度に到達してしまう。すると、他のインバータ素子には定格温度までの余裕が残っている状態にもかかわらず、モータ駆動制御を停止せざるを得なくなる。

そこで第１実施形態では、通電時間における下アーム素子６４、６５、６６の配分を減らし、上アーム素子６１、６２、６３の配分を増やすことで、下アーム素子６４、６５、６６の温度上昇を抑制する。具体的には、Ｄｕｔｙ比調整部３０が各相のＤｕｔｙ比を共通にプラス側にオフセットさせる。これにより、モータ駆動制御をより長く継続させる。なお、Ｕ相エリア周辺素子５８から受熱するＵ相下アーム素子６４の温度上昇を抑制するように、相ごとに発熱バランスを調整する処理については第３実施形態で説明する。

図４のフローチャートを参照し、Ｄｕｔｙ比調整部３０が実行する第１実施形態のＤｕｔｙ比調整処理について説明する。以下のフローチャートの説明で記号「Ｓ」はステップを意味する。各実施形態で互いに対応するステップには、同一のステップ番号の末尾にＡ、Ｂ、Ｃの記号を付す。第１実施形態特有の処理については末尾に「Ａ」を付す。なお、複数のフローチャートでステップ番号を共用する都合上、ステップ番号に欠番が生じる場合がある。

Ｓ０１Ａでは、設計予測に基づく上下アーム素子間の余裕度の偏りがあるか、すなわち、モータ８０の駆動条件や動作環境に関係なく、上下アーム素子間の余裕度の偏りが必然的に生じることがわかっているか判断される。例えば、シャント抵抗５４、５５、５６の発熱の影響により、下アーム素子６４、６５、６６の余裕度が上アーム素子６１、６２、６３の余裕度よりも常に同程度に小さくなることが設計予測される場合、Ｓ０１ＡでＹＥＳと判断され、Ｓ０７に移行する。Ｓ０７では、固定のオフセット方向（この場合はＤｕｔｙ比増加方向）で固定値のオフセット量が適用される。

設計予測に基づく余裕度の偏りが無く、Ｓ０１ＡでＮＯと判断された場合、Ｓ０２ＡでＤｕｔｙ比調整部３０は、素子温度推定部３１が推定した各相のインバータ素子６１－６６の温度ＴｓｗＵＨ、ＴｓｗＶＨ、ＴｓｗＷＨ、ＴｓｗＵＬ、ＴｓｗＶＬ、ＴｓｗＷＬを取得する。図中及び以下の明細書中、３個の上アーム素子６１、６２、６３、及び、３個の下アーム素子６４、６５、６６の温度をまとめて、それぞれ「Ｔｓｗ＊Ｈ」、「Ｔｓｗ＊Ｌ」と記す。「＊」は、Ｕ、Ｖ、Ｗのいずれかを意味する。素子温度の相間ばらつきが無いとみなされる場合、各相共通の上下アーム素子温度Ｔｓｗ＊Ｈ、Ｔｓｗ＊Ｌの２値のみが取得されてもよい。フローチャートの説明中、上アーム素子及び下アーム素子の符号の記載を適宜省略する。

Ｓ０３ＡでＤｕｔｙ比調整部３０は、各インバータ素子６１－６６について、定格温度から素子温度を減じて余裕度を算出する。上アーム素子の余裕度をＭＨと記し、下アーム素子の余裕度をＭＬと記す。Ｓ０５では、少なくとも一相の上下アーム素子間の余裕度の差｜ＭＨ－ＭＬ｜が閾値（詳しくは「余裕度差閾値」）以上であるか判断される。Ｓ０５でＮＯの場合、処理を終了する。

Ｓ０５でＹＥＳの場合、Ｓ０６でＤｕｔｙ比調整部３０は、Ｄｕｔｙ比のオフセット量を算出する。まず、余裕度が相対的に小さいインバータ素子の温度上昇を抑制するようにオフセット方向が決められる。（ＭＨ－ＭＬ）が正の場合、下アーム素子の余裕度が小さいため、Ｄｕｔｙ比を増加させ、下アーム素子の通電時間を短くする。（ＭＨ－ＭＬ）が負の場合、上アーム素子の余裕度が小さいため、Ｄｕｔｙ比を減少させ、上アーム素子の通電時間を短くする。オフセット量の算出例については後述する。

こうして、設計予測以外の場合にはＳ０６で、設計予測の場合にはＳ０７で、Ｄｕｔｙ比のオフセット量が決まる。なお、Ｓ０６及びＳ０７で得られる結果を併用してもよい。例えば設計予測の寄与度を設定し、Ｓ０６により算出されるオフセット量と、Ｓ０７で適用される固定値のオフセット量との加重平均を算出する方法が考えられる。Ｄｕｔｙ比調整部３０は、各相のＤｕｔｙ比を共通のオフセット量によりオフセットさせる。第１実施形態によるこの処理を「均等オフセット」ともいう。ＰＷＭ変調器２９は、オフセット後のＤｕｔｙ比に従って、インバータ６０を動作させる。

図５にＤｕｔｙ比オフセット前、図６にＤｕｔｙ比オフセット後の電気角一周期における各パラメータの波形図の例を示す。横軸の０～３６０［°］について、「電気角θ」の記載を省略する。図５、図６の一段目には、電気角一周期におけるキャリアＣ、及び、正弦波状の各相Ｄｕｔｙ比Ｄｕ、Ｄｖ、Ｄｗを示す。キャリアＣは、代表的な三角波を図示しているが、鋸波等の他のキャリアが使用されてもよい。オフセット後の各相Ｄｕｔｙ比には記号の末尾に「＃」を付して区別する。オフセット前、素子寿命を考慮して上下アーム素子を均等に使用する観点から、平均Ｄｕｔｙ比は５０％に設定される。余裕度均等化のために各相のＤｕｔｙ比が＋２５％の共通のオフセット量によりオフセットされた後、平均Ｄｕｔｙ比は７５％となる。

図５、図６の二段目には各相の上アーム素子電流Ｉｕｐ、Ｉｖｐ、Ｉｗｐを示し、三段目には各相の下アーム素子電流Ｉｕｎ、Ｉｖｎ、Ｉｗｎを示す。図１に示す構成では、下アーム素子電流Ｉｕｎ、Ｉｖｎ、Ｉｗｎは、各相のシャント抵抗５４、５５、５６の電流でもある。各相のＯＮ時の電流波形の外縁を繋いだ波形は、その相のＤｕｔｙ比に比例する。オフセット前の上下アーム素子のＯＮ時間は均等であるが、オフセット後には上アーム素子のＯＮ時間が長くなり、下アーム素子のＯＮ時間が短くなる。

図５、図６の四段目には、ｑ軸電圧Ｖｑによりモータ８０の出力トルクを示す。縦軸の数値「０．５」は無次元数であり、特に意味はないが、図１３、図１５との対比における基準値とする。オフセット前後とも電気角一周期にわたってｑ軸電圧Ｖｑは基準値０．５で一定である。なお、参考までにｄ軸電圧Ｖｄは０で一定である。各相のＤｕｔｙ比が共通のオフセット量によりオフセットする場合、線間電圧は変わらないため、出力トルクが維持される。

図４に戻り、Ｓ０６でのオフセット量の算出例について説明する。例えばオフセット量は、上下アーム素子間の余裕度差が閾値を超えた量に比例して算出される。或いは、上下アーム素子間の余裕度差が閾値を超えた場合に、固定値のオフセット量が適用されるようにしてもよい。ところで、上アーム素子６１、６２、６３及び下アーム素子６４、６５、６６は３個ずつあり、どの素子について「上下アーム素子間の余裕度差」を選択するかが定まらない。

図７に各インバータ素子の余裕度の例を示す。個別素子の余裕度に着目すると、Ｕ相下アーム素子の余裕度が５［℃］で最も小さく、Ｗ相上アーム素子の余裕度が３０［℃］で最も大きい。また、上アーム側、下アーム側のエリア別で見ると、上アームエリアの平均余裕度が２５［℃］であり、下アームエリアの平均余裕度が１０［℃］である。この例では、余裕度最小の素子を含むＵ相の余裕度差２０［℃］を採用してもよい。又は、エリア平均の余裕度差１５［℃］を採用してもよい。個別素子の余裕度に対する着眼点と、エリア平均の余裕度に対する着眼点とは、以下の各実施形態を通じて選択又は併用される。

また、Ｄｕｔｙ比調整部３０は、キャリアの最小値から最大値までの範囲に入るように、各相のＤｕｔｙ比を調整する。つまり、図６において、オフセット後のＤｕｔｙ比は、少なくとも振幅ピークがキャリアＣの０％～１００％の範囲に収まるように設定される。仮にオフセット後のＤｕｔｙ比がこの範囲を超えると、指令通りの電圧が印加されないためモータ駆動が不安定となり、最悪の場合、停止するおそれがある。そこで、オフセット後のＤｕｔｙ比がこの範囲に収まるように設定することで安定した駆動が可能になる。

さらにＤｕｔｙ比調整部３０は、インバータ素子６１－６６のＯＮ時間のパルス幅が電流検出に必要な最小パルス幅以上となるように、各相のＤｕｔｙ比を調整する。つまり、図６においてオフセット後の下アーム素子のＯＮ時間のパルス幅Ｘは、電流検出に必要な最小パルス幅Ｘｍｉｎ以上となるように設定される。仮に電流検出ができなくなると、電流フィードバック制御が破綻してモータが停止するおそれがある。そこで、オフセット後のＯＮ時間のパルス幅Ｘが最小パルス幅Ｘｍｉｎ以上となるようにオフセット値を設定することで安定した駆動が可能になる。

なお、キャリア周波数が一定の場合、この条件は、オフセット後のＤｕｔｙ比の範囲が例えばキャリアＣの７％～９３％の範囲に収まるようにすることにより実現される。これに対し、キャリア周波数がモータ回転数等に依存して変化する場合、キャリア周波数に応じてＤｕｔｙ比の許容範囲が都度算出されることとなる。

次に図８を参照し、第１実施形態の変形例について補足する。この変形例では、上アーム素子６１、６２、６３の定格温度ＴｒｔＨ（例えば１６５［℃］）と、下アーム素子６４、６５、６６の定格温度ＴｒｔＬ（例えば１７５［℃］）とが異なっている。つまり、余裕度が比較されるインバータ素子同士の定格温度が異なっている。これにより、余裕度が比較的大きい上アーム素子６１、６２、６３については、過剰な保護をすることなく、定格温度ＴｒｔＨの低い仕様の素子を用いることができる。

以上のように第１実施形態では、周辺素子であるシャント抵抗５４、５５、５６が下アーム素子６４、６５、６６に接続されたインバータ回路において、Ｄｕｔｙ比調整部３０が各相Ｄｕｔｙを共通のオフセット量によりオフセットさせる。均等オフセットにより、複数のインバータ素子６１－６６の温度の偏りを適切に解消することができる。よって、回路全体の熱を抑制し、下アーム素子６４、６５、６６及びシャント抵抗５４、５５、５６の過熱により機器破損につながることを防止することができる。

（第２実施形態）
次に図９、図１０を参照し、第２実施形態について説明する。第２実施形態では、均等化対象素子がインバータ素子及び周辺素子の両方であり、周辺素子は熱源であるとともに受熱体としても作用するモデルを想定する。図９には、図３の構成に加え、ダイオード、コンデンサ等の周辺素子５７が基板４０に搭載された構成を示す。ダイオード、コンデンサ等の周辺素子５７は、上アーム素子６１、６２、６３に対し下アーム素子６４、６５、６６とは反対側に近接して配置されており、上アーム素子６１、６２、６３の発熱の影響を大きく受ける。一方、Ｕ相エリア周辺素子５８は、Ｕ相素子６１、６４から比較的遠い位置にあるため、熱の授受の影響が比較的小さい。

このように、上アーム素子６１、６２、６３と下アーム素子６４、６５、６６とを比較したとき、上アーム素子６１、６２、６３側に配置され上アーム素子６１、６２、６３の発熱の影響をより大きく受ける周辺素子を「上部エリア周辺素子」と定義する。図９において、ダイオード、コンデンサ等の周辺素子５７を「上部エリア周辺素子５７」と表す。同様に、下アーム素子６４、６５、６６側に配置され下アーム素子６４、６５、６６の発熱の影響をより大きく受ける周辺素子を「下部エリア周辺素子」と定義する。シャント抵抗５４、５５、５６は下部エリア周辺素子に該当する。

また、図３と同様の各素子の定格温度Ｔｒｔに加え、上部エリア周辺素子５７の定格温度Ｔｒｔは１２５℃である。つまり、図９において、上部エリア周辺素子５７の定格温度Ｔｒｔが最も低い。したがって、最も高温の素子が下アーム素子６４、６５、６６であったとしても、定格温度に対する余裕度で比較した場合、上部エリア周辺素子５７の方が余裕度が小さい。この場合、上部エリア周辺素子５７が均等化対象素子となる。

そして、「上アーム素子６１、６２、６３と上部エリア周辺素子５７との余裕度差」が余裕度差閾値以上である場合、Ｄｕｔｙ比調整部３０は、上部エリア周辺素子５７の温度上昇を抑制し、余裕度差を低減するように、各相のＤｕｔｙ比を共通にマイナス側にオフセットさせる。ただし、Ｄｕｔｙ比をマイナス側にオフセットさせると、下アーム素子６４、６５、６６に対しては、むしろ温度上昇を促進する不利な方向に働く。したがって、上部エリア周辺素子５７の余裕度と下アーム素子６４、６５、６６の余裕度とのバランスを監視しつつ、随時、均等化対象素子を選択することが好ましい。

図９の例に限らず、上部エリア周辺素子又は下部エリア周辺素子を均等化対象素子とする場合の処理は、次のようにまとめられる。上部エリア周辺素子もしくは下部エリア周辺素子といずれかのインバータ素子との間、又は、上部エリア周辺素子と下部エリア周辺素子との間での余裕度の差が余裕度差閾値以上であると認められるとき、Ｄｕｔｙ比調整部３０は、各相のＤｕｔｙ比を共通のオフセット量によりオフセットさせる。具体的なオフセット処理については、第１実施形態の図５、図６を援用して参照する。

図１０のフローチャートを参照し、Ｄｕｔｙ比調整部３０が実行する第２実施形態のＤｕｔｙ比調整処理について説明する。第２実施形態では第１実施形態に対し、均等化対象素子が「インバータ素子及び周辺素子の両方」に拡張される。第２実施形態特有の処理についてはステップ番号の末尾に「Ｂ」を付す。Ｓ０１Ｂでは、設計予測に基づく上下アーム素子及び周辺素子間での余裕度の偏りがあるか判断される。Ｓ０１ＢでＹＥＳと判断されると、図４と同様にＳ０７に移行し、固定値のオフセット量が適用される。

Ｓ０１ＢでＮＯと判断された場合、Ｓ０２ＢでＤｕｔｙ比調整部３０は、素子温度推定部３１が推定した各相のインバータ素子６１－６６の温度Ｔｓｗ＊Ｈ、Ｔｓｗ＊Ｌ、及び、周辺素子温度を推定する。Ｓ０３ＢでＤｕｔｙ比調整部３０は、各インバータ素子６１－６６及び周辺素子について、定格温度から素子温度を減じて余裕度を算出する。

Ｓ０４では、注目する周辺素子と、他の周辺素子又はインバータ素子との余裕度の差が閾値以上であるか判断される。なお、これに代えて、単純に周辺素子の余裕度が所定値以下であるか判断されてもよい。Ｓ０４でＹＥＳの場合、Ｓ０６に移行する。Ｓ０４でＮＯの場合、図４と同じＳ０５の判断が行われる。Ｓ０５でＹＥＳの場合、Ｓ０６に移行し、Ｓ０５でＮＯの場合、処理を終了する。続くＳ０６、Ｓ０８は図４と同じであるため説明を省略する。Ｓ０６の説明において、「上下アーム素子間」と記載した箇所は、「上部エリア周辺素子、下部エリア周辺素子を含めた素子間」に読み替えて解釈される。

また、第１実施形態で言及した個別素子の余裕度に対する着眼点、及び、エリア平均の余裕度に対する着眼点についても、第２実施形態では周辺素子を含むように拡張される。例えば、個別では上部エリア周辺素子の余裕度が最も小さく、エリア平均では下アーム素子又は下部エリア周辺素子の余裕度が相対的に小さい、というように、個別素子の余裕度とエリア平均の余裕度とが競合する場合が想定される。この場合、個別素子の余裕度を優先的に確保するようにしてもよい。

さらに図９の例では、上部エリア周辺素子５７の定格温度（１２５［℃］）とシャント抵抗５４、５５、５６の定格温度（１５０［℃］）とは異なっている。また、上部エリア周辺素子５７の定格温度（１２５［℃］）とＵ相エリア周辺素子５８の定格温度（１５０［℃］）とも異なっている。したがって、これらの周辺素子同士で余裕度が比較される場合、第１実施形態の変形例で説明した「余裕度が比較される上下アーム素子同士の定格温度が異なっている」という特徴が周辺素子に拡張されたと解釈される。

（第３実施形態）
次に図１１～図１６を参照し、第３実施形態について説明する。図１１には、図９と同じ各素子が基板４０に搭載されており、例示される定格温度Ｔｒｔも図９と同じである。ただし、図９の配置に比べ上部エリア周辺素子５７は上アーム素子６１、６２、６３から遠い位置にあり、Ｕ相エリア周辺素子５８はＵ相下アーム素子６４に特に近接している。第３実施形態では、余裕度を比較するエリアが、例えば「Ｕ相エリア」と「Ｖ相、Ｗ相エリア」のように分かれる。

インバータ素子を均等化対象素子とする観点では、Ｕ相下アーム素子６４がＵ相エリア周辺素子５８からの受熱により温度上昇し余裕度が小さくなる。そして、Ｕ相下アーム素子６４とＶ相、Ｗ相の下アーム素子６５、６６との余裕度の差、つまり、「複数相のインバータ素子の相間での余裕度の差」が閾値以上となる。そこでＤｕｔｙ比調整部３０は、インバータ素子の余裕度が相対的に小さいＵ相を「発熱低減相」として選択し、発熱低減相の発熱を低減するように、相ごとにＤｕｔｙ比を調整する。

周辺素子を均等化対象素子とする観点では、Ｕ相エリア周辺素子５８がＵ相下アーム素子６４からの受熱により温度上昇し余裕度が小さくなる。そして、例えばＵ相エリア周辺素子５８と上部エリア周辺素子５７との余裕度の差が閾値以上となる。このように、「相ごとのエリアに対応してインバータ素子の発熱の影響を受ける周辺素子」同士での余裕度の差が余裕度差閾値以上であると認められるとき、Ｄｕｔｙ比調整部３０は、対応する周辺素子の余裕度が相対的に小さいＵ相を「発熱低減相」として選択し、発熱低減相の発熱を低減するように、相ごとにＤｕｔｙ比を調整する。

また、上下アーム素子間の余裕度の差も考慮し、第１実施形態による均等オフセットと第３実施形態による相ごとの配分とを組み合わせてもよい。例えば、上部エリア周辺素子の余裕度が最も余裕度が小さく、エリア平均ではＵ相エリア周辺素子の余裕度が小さい場合、均等オフセットにより上アーム素子の熱を低減しつつ、相ごとの配分を併用しＵ相側の熱を低減してもよい。

図１２のフローチャートを参照し、Ｄｕｔｙ比調整部３０が実行する第３実施形態のＤｕｔｙ比調整処理について説明する。第３実施形態特有の処理についてはステップ番号の末尾に「Ｃ」を付す。ここでは、インバータ素子を均等化対象素子として相ごとのＤｕｔｙ比調整を行うものとする。周辺素子への熱影響が相ごとのエリアに対応する場合、周辺素子を均等化対象素子としてもよい。

Ｓ０１Ｃでは、設計予測に基づくインバータ素子６１－６６の相間の余裕度の偏りがあるか判断される。Ｓ０１ＣでＹＥＳと判断されると、Ｓ１６の次までスキップする。Ｓ０１ＣでＮＯと判断された場合、Ｓ０２Ａ、Ｓ０３Ａは第１実施形態の図４と同様である。Ｓ１５では、複数相のインバータ素子の相間の余裕度の差が閾値（詳しくは「余裕度差閾値」）以上であるか判断される。Ｓ１５でＮＯの場合、処理を終了する。Ｓ１６でＤｕｔｙ比調整部３０は、余裕度が相対的に小さい発熱低減相を選択する。Ｓ０１ＣでＹＥＳと判断された場合、設計予測に基づき発熱低減相が既に決定している。

続いてＳ１７では、Ｄｕｔｙ比調整に伴う平均トルクの維持が必要か判断される。なお、相ごとの配分では、「その他の実施形態」として後述する特殊な例を除き、トルクリップルが許容されることがほぼ前提となる。例えば電動ブレーキ用モータのように、トルクリップルがあってもよいが出力トルクを維持することが重要なモータでは、相ごとの配分方式が有効である。一方、トルクリップルが無いことが優先される場合、均等オフセットを選ぶか、制御を停止することが好ましい。特定の用途のモータ駆動に適用される場合、Ｓ１７の判断は常に固定されてもよい。

平均トルクの維持が必要であり、Ｓ１７でＹＥＳと判断された場合、Ｓ１８でＤｕｔｙ比調整部３０は、平均トルクを維持する方式で各相のＤｕｔｙ比を調整する。この方式の例は、図１３、図１４に示す「振幅係数乗算方式」である。平均トルクの維持が不要であり、Ｓ１７でＮＯと判断された場合、Ｓ１９でＤｕｔｙ比調整部３０は、平均トルクを維持しない方式で各相のＤｕｔｙ比を調整してもよい。この方式の例は、図１５、図１６に示す「振幅制限方式」である。なお、平均トルクを維持する振幅係数乗算方式をＳ１９で用いてもかまわない。

図１３、図１４を参照し、振幅係数乗算方式によるＤｕｔｙ比調整について説明する。調整前の波形は、第１実施形態の図５を援用する。図１３には、図５と同様に、電気角一周期におけるキャリア及び各相Ｄｕｔｙ比、上アーム素子電流、下アーム素子及びシャント抵抗電流、並びに、モータ出力トルクの４つの図を示す。各相Ｄｕｔｙ比は、キャリアＣとの比較を表す都合上、５０％を基準として示している。ただし、第１実施形態によるオフセット処理と第３実施形態による相ごとの調整とを組み合わせ、オフセット後の値を基準としてもよい。

Ｕ相電流波形において、電気角９０°及び２７０°の位相で電流ピークの絶対値が低減されており、発熱が低減する。出力トルクを示すｑ軸電圧Ｖｑは、電気角一周期中に二周期の正弦波として現れる。ｑ軸電圧Ｖｑは電気角０°及び１８０°で最大となり、電気角９０°及び２７０°で最小となる。ｑ軸電圧Ｖｑの平均は、調整前の基準値０．５に一致する。すなわち、平均トルクが変化せずに維持されている。

図１４を参照し、振幅係数乗算方式の演算方法について説明する。ここでは、各相Ｄｕｔｙ比を各相電流指令値に置き換えて説明する。説明中の「電流指令値」は「電流」に省略する。調整前の各相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの平均は０であり、正弦波の電流振幅範囲が無次元数で±０．４と表される。この数値自体には意味はないが、調整前後の対比用として記す。図１４の例では、Ｕ相電流Ｉｕは「－０．４×ｓｉｎθ」と表される。

Ｕ相振幅係数は、Ｕ相電流Ｉｕのピ－ク、すなわちＵ相電流Ｉｕの絶対値が最大となる位相で最小となり、Ｕ相電流Ｉｕが０となる位相で最大となる正弦波関数である。また、Ｕ相振幅係数の電気角一周期での平均は１である。振幅をα、位相差をφとすると、一般式では「ｆ＝１＋α×ｓｉｎ（２θ＋φ）」と表される。図１４の例では、Ｕ相振幅係数は「ｆ＝１＋０．２ｓｉｎ（２θ＋９０°）＝１＋０．２ｃｏｓ（２θ）」と表される。調整前のＵ相電流ＩｕにＵ相振幅係数を乗じることで、調整後のＵ相電流Ｉｕ＃は、ピークの絶対値が約２０％低減する。また、Ｕ相電流Ｉｕの調整に伴い、三相電流和を０とするようにＶ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗが調整される。その結果、図１４の下段に示される各相の調整後電流Ｉｕ＃、Ｉｖ＃、Ｉｗ＃が演算される。

各相電流に置き換えてした説明を各相Ｄｕｔｙ比に戻せば、次のようにまとめられる。Ｄｕｔｙ比調整部３０は、発熱低減相の電流振幅ピークの絶対値を低減するように、「電気角θに応じて変化し且つ電気角一周期での平均が１である振幅係数」を、発熱低減相の調整前のＤｕｔｙ比に乗じて調整後のＤｕｔｙ比を演算する。

このように、振幅係数乗算方式では、トルクリップルは発生するものの、平均トルクを維持しつつ発熱低減相の発熱を低減することができる。したがって、トルクフィードバックによるトルク調整処理が不要である。なお、振幅係数の振幅αが大きいほど電流ピーク低減効果が大きくなる反面、トルクリップルも大きくなる。そこで、余裕度とトルクリップルの許容度とのバランスにより振幅係数の振幅αが調整されることが好ましい。

次に図１５、図１６を参照し、振幅制限方式によるＤｕｔｙ比調整について説明する。図１５には、上下アーム素子電流の図を省略し、電気角一周期におけるキャリア及び各相Ｄｕｔｙ比、並びに、モータ出力トルクの２つの図を示す。振幅制限方式では、Ｕ相電流振幅の絶対値の上限を制限することで電流ピークの絶対値が低減され、発熱が低減する。ただし、電流振幅が制限された位相範囲でｑ軸電圧Ｖｑが低下しており、電気角一周期の平均トルクが低下する。

図１６を参照し、振幅制限方式の演算方法について、図１４と同様に各相Ｄｕｔｙ比を各相電流指令値に置き換えて説明する。縦軸の数値の意味は図１４に準じて解釈される。図１６の上段には、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗを正弦波形としたまま、Ｕ相電流振幅の絶対値の上限を制限した状態を示す。この例では、電流振幅の上限の絶対値が０．２に制限される。中段には、この状態での三相電流和を示す。Ｕ相電流振幅が制限された位相範囲で三相電流和の計算値が０から乖離し、キルヒホッフの法則が成立しなくなる。そこで、０から乖離した分の電流が例えばＶ相、Ｗ相の電流指令値に均等に再分配される。その結果、図１６の下段に示される各相の調整後電流Ｉｕ＃、Ｉｖ＃、Ｉｗ＃が演算される。

各相電流に置き換えてした説明を各相Ｄｕｔｙ比に戻せば、次のようにまとめられる。Ｄｕｔｙ比調整部３０は、発熱低減相の電流振幅の絶対値の上限を制限し、さらに全相の電流和が０になるように発熱低減相以外の相の電流振幅を調整して調整後のＤｕｔｙ比を演算する。

上述の通り、振幅制限方式では基本的に平均トルクが低下する。ただし、トルクフィードバックにより実出力トルクの平均値が目標トルクになるまで各相の電流指令値を増加する処理を行うことで、平均トルクを維持することも可能である。この場合の実出力トルクは、調整後のｄｑ軸電流Ｉｄ、Ｉｑから推定演算してもよく、トルクセンサやオブザーバを用いてモニタしてもよい。また、振幅制限方式の演算において、調整前の電流指令値と上限の設定値との関係から、平均トルクを低下させないために必要な電流指令値増加分を数式やマップにより算出するようにしてもよい。

第３実施形態では、発熱低減相のインバータ素子がその相エリアの周辺素子からの受熱により温度上昇し余裕度が小さくなる場合等に、Ｄｕｔｙ比調整部３０は、発熱低減相の発熱を低減するように、相ごとにＤｕｔｙ比を調整する。これにより、複数のインバータ素子６１－６６の温度の偏りを適切に解消することができる。

ただし、相ごとの配分によると、均等オフセットのように出力トルクが一定に維持されない。そこで、例えば上述の振幅係数乗算方式を実施することで、トルクリップルは発生するものの、モータ８０の電気角一周期の平均出力トルクを維持することができる。

（第４実施形態）
次に図１７、図１８を参照し、第４実施形態について説明する。図１を参照して上述した通り、第４実施形態では、ロック判定部３２により「ロック時」であると判定されたとき、Ｄｕｔｙ比調整部３０が制御を切り替える。なお、従来、特許第３６８４８７１号公報には、モータのロック時にスイッチング周波数を通常周波数から保護周波数に低減する電力変換器の温度保護制御装置が開示されている。この装置では、スイッチング素子の温度が判定ラインを上回った場合にのみ保護周波数に切り替えることで、騒音を極力回避する。しかし、ロック時におけるＤｕｔｙ比の調整に関しては何ら言及されていない。

ここでは主に、第３実施形態にて平均トルクの維持が必要な場合に用いられる振幅係数乗算方式の応用について検討する。図１７には、図１４下段の調整後各相電流の図、及び、図１３最下段の出力トルクの図を再掲する。太実線で示すように、仮に電気角９０°の位相付近で回転数が低下すると、平均トルクよりも低トルクの状態が長く継続する。そのため、回転速度ωが低いロック時には、電気角一周期での平均トルクによりトルク性能を担保することができない。

図１８（ａ）のフローチャートに、ロック時における目標トルクへの追従の観点での制御切替処理を示す。Ｓ２１では、モータ８０の回転速度ωが速度閾値ωｔｈ未満であるか判断される。Ｓ２１でＹＥＳの場合、ロック時と判断され、Ｓ２２に移行する。速度閾値ωｔｈによっては、完全に停止している場合に限らず、低速回転時も「ロック時」に含まれる。Ｓ２２では、図１２のＳ１７と同様に目標トルクへの追従が必要か判断される。Ｓ２２でＹＥＳの場合、Ｓ２３でＤｕｔｙ比調整部３０は、振幅係数乗算方式による相ごとのＤｕｔｙ比調整を中止する。

これにより、ロック時且つ目標トルクへの追従要求がある場合に、目標トルクから乖離したトルクが継続して出力される事態を回避することができる。Ｓ２１でＮＯの場合に相当する通常回転時、又は、Ｓ２２でＮＯの場合、Ｓ２４で、相ごとのＤｕｔｙ比調整を実施可と判断される。

また、図１８（ｂ）のフローチャートに、素子の過熱保護の観点での制御切替処理を示す。ロック時には、位相によって特定相に電流が集中し、通常回転時に比べ早く温度上昇する。そこで、早めに過熱を防止するため、定格温度を通常回転時よりも低い温度に切り替えることが考えられる。具体的には、Ｄｕｔｙ比調整部３０は、各素子についてロック時用及び通常回転時用の２種類の定格温度を記憶しており、Ｓ２１でＹＥＳの場合、Ｓ２５でロック時用の定格温度を使用し、Ｓ２６で通常回転時用の定格温度を使用する。これにより、ロック時に電流集中する素子を過熱から適切に保護することができる。

（その他の実施形態）
（ａ）第３、第４実施形態による振幅係数乗算方式や振幅制限方式ではトルクリップルが発生するのに対し、図１９に、特定の位相範囲を除く電気角一周期での平均トルクを維持可能な相ごとの配分方式を示す。この方式は、効率の低下が許容されることを前提とするものであり、Ｕ軸電流振幅を制限した位相範囲、すなわち、図１９の例では電気角９０°前後及び２７０°前後の位相範囲で敢えてｄ軸電圧Ｖｄを印加し、Ｖ相電流Ｉｖ及びＷ相電流Ｉｗの絶対値を増加させる。

詳しい算出手順の例は以下のようである。まず、制御演算部２０は、一相のみに電流が流れたと仮定したときの発生トルク（≒ｑ軸電圧）とモータ位置との関係をマップとして持っておく。そして、制御演算部２０は、Ｕ相電流Ｉｕを調整前の電流指令値から減じた電流分を、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗからも減ずる。このとき、例えば上記マップから求まる発生トルクの比で電流が分配されてもよい。次に制御演算部２０は、「Ｉｖ＋Ｉｗ＝０」となるＶ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗを加算することにより、この時点の電流で不足するトルクを補う。ただし、特定の位相（図１９の例では電気角９０°及び２７０°）では、「Ｉｖ＋Ｉｗ＝０」の関係でＶ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗを変化させてもトルクが変化しないため、その動作点ではトルクを維持できない

このように図１９の方式では、特定の位相範囲を除いて出力トルクの低下を防ぎつつ、Ｕ相電流Ｉｕを低減し、Ｕ相素子６１、６４の発熱を低減することができる。ただし背反として、Ｖ相、Ｗ相の発熱は著しく増加する。例えば、第４実施形態のＳ２２でＹＥＳの場合に、振幅係数乗算方式による相ごとのＤｕｔｙ比調整を中止し、この方法を適用してもよい。

（ｂ）図１の構成例とは逆に、上アーム素子６１、６２、６３と電源線Ｌｐとの間にシャント抵抗が接続されてもよい。その場合、上アーム素子６１、６２、６３が「シャント抵抗側インバータ素子」に相当し、下アーム素子６４、６５、６６が「反シャント抵抗側インバータ素子」に相当する。また、三相インバータにおいて、シャント抵抗が二相に設けられ、他の一相の電流はキルヒホッフの法則により推定されてもよい。一般にＮ相インバータでは、（Ｎ－１）相以上にシャント抵抗が設けられればよい。

（ｃ）シャント抵抗を設けず、他の種類の電流検出器が設けられてもよい。電流検出器は、インバータとモータとの間の経路に設けられてもよい。また、周辺素子として、上記実施形態に記載したダイオード、コンデンサ、ＩＣ、チップ素子等の他、熱の授受に影響するどのような素子がインバータ６０と同一の基板に搭載されてもよい。

（ｄ）制御演算部２０は、図２に示す速度制御系の構成に限らず、トルク制御系、位置制御系等の構成でもよい。また、制御演算部２０は、回転角センサ８５によりモータ８０の回転角を検出する構成の他、拡張誘起電圧等を用いてセンサレスで回転角を推定してもよい。

（ｅ）通電により素子温度が上昇し余裕度が低下したとき、本実施形態によるＤｕｔｙ比調整と共に、単にモータ出力を低下させることにより発熱を低減する処理や、スイッチング周波数を低下させることにより発熱を低減する処理等を併用してもよい。例えば素子温度推定部３１による推定温度が閾値以上となったとき、通電を停止するようにしてもよい。

以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。

本開示に記載の制御演算部及びその手法は、コンピュータプログラムにより具体化された一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。あるいは、本開示に記載の制御演算部及びその手法は、一つ以上の専用ハードウェア論理回路によってプロセッサを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。もしくは、本開示に記載の制御演算部及びその手法は、一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリと一つ以上のハードウェア論理回路によって構成されたプロセッサとの組み合わせにより構成された一つ以上の専用コンピュータにより、実現されてもよい。また、コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されるインストラクションとして、コンピュータ読み取り可能な非遷移有形記録媒体に記憶されていてもよい。

２００・・・モータ制御装置、
２７ ・・・電流制御器（電圧指令演算部）、
２９ ・・・ＰＷＭ変調器、 ３０ ・・・Ｄｕｔｙ比調整部、
４０ ・・・基板、
５４、５５、５６・・・シャント抵抗（電流検出器、周辺素子）、
５７ ・・・（上部エリア）周辺素子、
５８ ・・・（Ｕ相エリア）周辺素子、
６０ ・・・インバータ、
６１、６２、６３・・・上アーム素子、 ６４、６５、６６・・・下アーム素子、
８０ ・・・（三相）モータ（多相モータ）。

Claims (15)

1. 多相モータ（８０）の駆動を制御するモータ制御装置であって、
   多相の上アーム素子（６１、６２、６３）及び下アーム素子（６４、６５、６６）からなる複数のインバータ素子がブリッジ接続されたインバータ（６０）と、
   前記インバータと同一の基板（４０）に搭載されており、自身の温度上昇が前記インバータ素子の温度に影響を与える複数の周辺素子（５４－５８）と、
   前記複数の周辺素子の一部である複数の電流検出器（５４、５５、５６）が検出した相電流検出値に基づいて、前記多相モータに印加する電圧指令を演算する電圧指令演算部（２７）と、
   前記電圧指令から換算された各相のＤｕｔｙ比とキャリアとを比較するＰＷＭ制御により、前記インバータのスイッチング周期における前記上アーム素子及び前記下アーム素子の通電時間配分を決定するＰＷＭ変調器（２９）と、
   前記ＰＷＭ制御における各相のＤｕｔｙ比を調整するＤｕｔｙ比調整部（３０）と、
   を備え、
   各素子の定格温度から推定温度を減じた温度差分を余裕度と定義すると、
   前記インバータの通電に関するいずれかの検出値に基づき、又は、設計予測に基づき、少なくとも一相の前記上アーム素子と前記下アーム素子との間での前記余裕度の差、又は、複数相の前記インバータ素子の相間での前記余裕度の差が余裕度差閾値以上であると認められるとき、
   前記Ｄｕｔｙ比調整部は、前記余裕度が相対的に小さい前記インバータ素子の温度上昇を抑制し、前記余裕度の差を低減するように、各相のＤｕｔｙ比を調整するモータ制御装置。
2. 少なくとも一相の前記上アーム素子と前記下アーム素子との間での前記余裕度の差が余裕度差閾値以上であると認められるとき、
   前記Ｄｕｔｙ比調整部は、各相のＤｕｔｙ比を共通のオフセット量によりオフセットさせる請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 多相モータ（８０）の駆動を制御するモータ制御装置であって、
   多相の上アーム素子（６１、６２、６３）及び下アーム素子（６４、６５、６６）からなる複数のインバータ素子がブリッジ接続されたインバータ（６０）と、
   前記インバータと同一の基板（４０）に搭載されており、前記インバータ素子の発熱の影響を受けて温度上昇する複数の周辺素子（５４－５８）と、
   前記複数の周辺素子の一部である複数の電流検出器（５４、５５、５６）が検出した相電流検出値に基づいて、前記多相モータに印加する電圧指令を演算する電圧指令演算部（２７）と、
   前記電圧指令から換算された各相のＤｕｔｙ比とキャリアとを比較するＰＷＭ制御により、前記インバータのスイッチング周期における前記上アーム素子及び前記下アーム素子の通電時間配分を決定するＰＷＭ変調器（２９）と、
   前記ＰＷＭ制御における各相のＤｕｔｙ比を調整するＤｕｔｙ比調整部（３０）と、
   を備え、
   各素子の定格温度から推定温度を減じた温度差分を余裕度と定義すると、
   前記インバータの通電に関するいずれかの検出値に基づき、又は、設計予測に基づき、いずれかの前記周辺素子といずれかの前記インバータ素子との間、又は、複数の前記周辺素子同士の間での前記余裕度の差が余裕度差閾値以上であると認められるとき、
   前記Ｄｕｔｙ比調整部は、前記余裕度が相対的に小さい前記周辺素子もしくは前記インバータ素子の温度上昇を抑制し、前記余裕度の差を低減するように、各相のＤｕｔｙ比を調整するモータ制御装置。
4. 前記上アーム素子と前記下アーム素子とを比較したとき、前記上アーム素子側に配置され前記上アーム素子の発熱の影響をより大きく受ける前記周辺素子を上部エリア周辺素子と定義し、前記下アーム素子側に配置され前記下アーム素子の発熱の影響をより大きく受ける前記周辺素子を下部エリア周辺素子と定義すると、
   前記上部エリア周辺素子もしくは前記下部エリア周辺素子といずれかの前記インバータ素子との間、又は、前記上部エリア周辺素子と前記下部エリア周辺素子との間での前記余裕度の差が余裕度差閾値以上であると認められるとき、
   前記Ｄｕｔｙ比調整部は、各相のＤｕｔｙ比を共通のオフセット量によりオフセットさせる請求項３に記載のモータ制御装置。
5. 複数相の前記インバータ素子の相間での前記余裕度の差、又は、相ごとのエリアに対応して前記インバータ素子の発熱の影響を受ける前記周辺素子同士での前記余裕度の差が余裕度差閾値以上であると認められるとき、
   前記Ｄｕｔｙ比調整部は、前記インバータ素子又は対応する前記周辺素子の前記余裕度が相対的に小さい相を発熱低減相として選択し、前記発熱低減相の発熱を低減するように、相ごとにＤｕｔｙ比を調整する請求項１～４のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
6. 前記Ｄｕｔｙ比調整部は、前記多相モータの電気角一周期の平均出力トルクを維持するように、各相のＤｕｔｙ比を調整する請求項５に記載のモータ制御装置。
7. 前記Ｄｕｔｙ比調整部は、前記発熱低減相の電流振幅ピークの絶対値を低減するように、電気角に応じて変化し且つ電気角一周期での平均が１である振幅係数を、前記発熱低減相の調整前のＤｕｔｙ比に乗じて調整後のＤｕｔｙ比を演算する請求項６に記載のモータ制御装置。
8. 前記多相モータの回転速度が速度閾値未満のとき、ロック時であると判定するロック判定部（３２）をさらに備え、
   前記Ｄｕｔｙ比調整部は、前記ロック時に、前記多相モータの電気角一周期の平均出力トルクを維持する相ごとのＤｕｔｙ比の調整を中止する請求項６または７に記載のモータ制御装置。
9. 前記Ｄｕｔｙ比調整部は、前記発熱低減相の電流振幅の絶対値の上限を制限し、さらに全相の電流和が０になるように前記発熱低減相以外の相の電流振幅を調整して調整後のＤｕｔｙ比を演算する請求項５に記載のモータ制御装置。
10. 前記余裕度の差が比較される前記インバータ素子又は前記周辺素子のうち少なくとも一組の素子同士は、互いに定格温度が異なっている請求項１～９のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
11. 前記Ｄｕｔｙ比調整部は、キャリアの最小値から最大値までの範囲に入るように、各相のＤｕｔｙ比を調整する請求項１～１０のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
12. 前記Ｄｕｔｙ比調整部は、前記インバータ素子のＯＮ時間のパルス幅が電流検出に必要な最小パルス幅以上となるように、各相のＤｕｔｙ比を調整する請求項１～１１のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
13. 一つ以上の温度検出器（７１、７４）が検出した前記インバータ素子もしくは前記周辺素子の温度検出値、又は、前記インバータの通電に関する温度以外の検出値に基づいて前記インバータ素子もしくは前記周辺素子の温度を推定する素子温度推定部（３１）をさらに備える請求項１～１２のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
14. 前記上アーム素子と電源線との間、又は、前記下アーム素子とグランド線との間に、前記電流検出器としてのシャント抵抗（５４、５５、５６）が接続されている請求項１～１３のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
15. 前記上アーム素子及び前記下アーム素子のうち前記シャント抵抗が接続された側のインバータ素子をシャント抵抗側インバータ素子とし、前記シャント抵抗側インバータ素子とは反対側のインバータ素子を反シャント抵抗側インバータ素子とすると、
    一相以上の前記シャント抵抗側インバータ素子の温度を検出するシャント抵抗側温度検出器（７４）、及び、一相以上の前記反シャント抵抗側インバータ素子の温度を検出する反シャント抵抗側温度検出器（７１）を備える請求項１４に記載のモータ制御装置。

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