モータ制御装置、歩行補助装置及びモータ制御方法
【課題】モータコイルの過熱を防止するモータ制御装置において、コイル温度が上限を超えないことを保証しつつ、コイル温度の上限を保証上限温度に十分近い値に設定して、コイル電流の制限に因るモータ性能の低下を抑止する。
【解決手段】上限電流算出部１５は、温度センサ６ｕ，６ｖ，６ｗが検出した各相コイルの温度に基づいて各相において第１の所定時間後のコイル温度が上限温度以下に留まる上限値を、第１の所定時間より短い第２の所定時間の経過ごとに算出する。ベクトル処理部１６は、目標コイル電流に対応する目標ベクトルの長さを、上限電流算出部１５が算出した各相の上限値の内の最小のものに対応する長さ以内になるように補正する。相電流変換部１７は、補正後の目標ベクトルに基づいて各相電流値を算出し、インバータ３を介してモータ２の各相電流を制御する。
【解決手段】上限電流算出部１５は、温度センサ６ｕ，６ｖ，６ｗが検出した各相コイルの温度に基づいて各相において第１の所定時間後のコイル温度が上限温度以下に留まる上限値を、第１の所定時間より短い第２の所定時間の経過ごとに算出する。ベクトル処理部１６は、目標コイル電流に対応する目標ベクトルの長さを、上限電流算出部１５が算出した各相の上限値の内の最小のものに対応する長さ以内になるように補正する。相電流変換部１７は、補正後の目標ベクトルに基づいて各相電流値を算出し、インバータ３を介してモータ２の各相電流を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータコイルの過熱を防止するモータ制御装置、該モータ制御装置を装備する歩行補助装置及びモータ制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
歩行補助装置等に装備されるモータでは、回転中だけでなく、回転停止中も、回転角を保持するために、コイルは通電状態に維持されている。コイルは、通電中、発熱するので、コイルの発熱量が放熱量を上回っていると、温度が上昇して、過熱状態になってしまう。したがって、モータの使用中、コイルが、過熱温度にならないように、保護する必要がある。
【０００３】
特許文献１は、三相モータの過熱対策として、相電流の所定の関数又は相電流の累乗関数の積算値に基づいてモータ電流を制限することを開示する（特許文献１段落００４７）。特許文献１は、また、三相モータにおいて、相別に相電流の積算値をそれぞれ算出し、最大積算値の相における積算値に基づいて全部の相電流を制限することを開示する（特許文献１段落００３６）。
【０００４】
特許文献２は、ＤＣブラシレスモータにおいて、相電流の積算値又は相電流の所定の関数による関数値と閾値との差分の積算値と、インバータの中間バス電圧とに基づいて永久磁石の温度を予測し、予測温度に基づいてモータの最大電流を制限することを開示する（特許文献２段落００３７）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２３８２９３号公報
【特許文献２】特開２００７−２８２４７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のモータ過熱対策は、現在の相電流、それを積算した現在の積算値、又はその他の関数の現在の値に応じて相電流を制限するものであり、現在から所定時間後のコイル温度が過熱温度になるか否かに基づいて相電流を制限するものになっていない。したがって、相電流についての減少制御開始後、コイル温度が実際に低下するまでの時間遅れや、コイル温度のオーバーシュートに対処するために、閾値は、コイルの保証上限温度より十分に低い温度に対応する値に設定して、該現在の各種値が該閾値に以下になるように制御されており、本来ならば、まだ、コイル電流を増加できるにもかかわらず、早めにコイル電流が抑制されてしまい、モータの性能を十分に出し切れていなかった。
【０００７】
本発明の目的は、コイル温度が上限を超えないことを保証しつつ、コイル温度の上限を保証上限温度に十分に近い値に設定し、これにより、コイル電流の制限を抑制することができるモータ制御装置、該モータ制御装置を搭載する歩行補助装置、及びモータ制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１発明のモータ制御装置は、モータのコイル温度を検出するコイル温度検出手段と、現在から第１の所定時間の経過後のコイル温度を上限温度以下に留まらせるコイル電流の上限値を、前記第１の所定時間より短い第２の所定時間が経過するごとに、前記コイル温度検出手段により検出されたコイル温度を用いて決定する上限電流決定手段と、コイル電流が前記上限値以下になるようにコイル電流を制御するコイル電流制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００９】
第１発明によれば、第１の所定時間後のコイル温度が上限温度以下に留まるように、コイル電流の上限値が、第１の所定時間より短い第２の所定時間の経過ごとに、コイル温度検出手段で検出されたコイル温度を用いて決定され、コイル電流が該上限値以下になるように制御される。すなわち、コイルに上限値のコイル電流が供給されても、第１の所定時間内はコイル温度が上限温度以下に留まるようになっている状況下で、コイル電流の上限値が、第１の所定時間より短い第２の所定時間ごとに決定され、更新されていく。これにより、コイル温度は上限温度以下に留まることが保証される。
【００１０】
従来のモータ制御装置では、前述のように制御遅れやオーバーシュートを考慮して、閾値をコイル上限保証温度より十分低い値に設定し、現在のコイル温度と所定の静的な閾値とを対比して、コイル温度が閾値を超えているときにはコイル電流を低減するようにしていた。これに対し、第１発明によれば、上記のように第１の所定時間後のコイル温度を上限温度以下に留めることが保証されるので、制御遅れやオーバーシュートを考慮することなく、上限温度をコイル上限保証温度に近い値まで設定することができる。これにより、現在のコイル温度が従来のモータ制御装置における閾値より高い温度領域になるまで、コイル電流を増大することができ、モータ性能の低下につながるコイル電流の制限を極力、抑制することができる。
【００１１】
第２発明のモータ制御装置は、第１発明において、前記上限電流決定手段は、前記コイル温度としての現在のコイル温度を用いるとともに、前記上限温度と前記第１の所定時間とを用いて前記コイル電流の上限値を決定することを特徴とする。
【００１２】
第２発明によれば、現在のコイル温度とコイルの上限温度と第１の所定時間とを用いることにより、コイル電流の上限値を簡単かつ迅速に求めることができる。
【００１３】
第３発明のモータ制御装置は、第１又は第２発明において、前記モータが三相モータであり、前記コイル温度検出手段が前記三相モータの相別にコイル温度を検出するものであり、前記上限電流決定手段が、相別コイル温度に基づいて相別にコイル電流の上限値を決定し、前記コイル電流制御手段が、各相別コイル電流が各相別上限値以下になるように、各相別コイル電流を制御することを特徴とする。
【００１４】
第３発明によれば、モータが三相モータであるときに、各相においてコイル温度が上限を超えないことを保証しつつ、モータ性能の低下につながるコイル電流の制限を極力、抑制することができる。
【００１５】
第４発明のモータ制御装置は、第３発明において、前記コイル電流制御手段が、前記上限電流決定手段の相別に決定した３つの相別上限値に対し、３つの相別コイル電流を１つのベクトルで表現するＤ−Ｑ座標において、原点を中心とし前記３つの相別上限値の内の最小の相別上限値に対応する半径を有する円を設定し、前記モータに対する要求トルクに対応する長さを有し、前記モータの回転に同期して原点の周りに回転する目標ベクトルについて、その先端が前記円の外に位置しているときは、該先端が前記円内に含まれるように前記目標ベクトルの長さを補正し、該長さを補正した目標ベクトルに基づいて各相別コイル電流を制御することを特徴とする。
【００１６】
第４発明によれば、Ｄ−Ｑ座標において、中心が原点にあり、半径が３つの相別上限値の内の最小の相別上限値に対応する長さである円が設定され、目標ベクトルに対し、その先端が円の外になっているときは、該先端が該円内に含まれるように、補正して、各相のコイル電流は補正後の目標ベクトルに基づいて算出されるので、各相においてコイル温度が上限を超えないことを保証しつつ、コイル電流の制限を極力、抑制することができる。３つの相別コイル電流を１つの相別上限値により制限することになるので、制御が簡単化されるとともに、高速回転時の回転が滑らかになる。
【００１７】
第５発明のモータ制御装置は、第３発明において、前記コイル電流制御手段が、前記上限電流決定手段の相別に決定した３つの相別上限値に対し、３つの相別コイル電流を１つのベクトルにより表現するＤ−Ｑ座標において、対辺が相互に平行で各対辺間の距離が対応する相別上限値の２倍以下に相当する長さである多角形を設定し、前記モータに対する要求トルクに対応する長さを有し、前記モータの回転に同期して原点の周りに回転する目標ベクトルについて、その先端が前記多角形外に位置しているときは、該先端が前記多角形内に含まれるように前記目標ベクトルの長さを補正し、該長さを補正した目標ベクトルに基づいて各相別コイル電流を制御することを特徴とする。
【００１８】
第５発明によれば、Ｄ−Ｑ座標において、対辺が相互に平行であり、対辺間の距離が対応の相別上限値の絶対値の２倍以下に対応する長さである多角形が設定され、目標ベクトルに対し、その先端が多角形の外になっているときは、該先端が該多角形内に含まれるように、補正し、各相のコイル電流は補正後の目標ベクトルに基づいて算出される。この結果、各相コイルごとに温度環境が相違しているような場合に各相のコイル電流は、相別に決定された上限値以下に制限されるので、相に関係なく一律に上限値を設定するときよりも、コイル電流の制限を抑制することができる。
【００１９】
第６発明のモータ制御装置は、第３発明において、前記コイル電流制御手段が、前記上限電流決定手段の相別に決定した３つの相別上限値に対し、３つの相別コイル電流を１つのベクトルにより表現するＤ−Ｑ座標において、原点を中心とし前記３つの相別上限値の内の最小の相別上限値に対応する半径を有する円と、対辺が相互に平行で対辺間の距離が対応する相別上限値の絶対値の２倍以下に相当する長さである多角形とを設定し、前記モータに対する要求トルクに対応する長さを有し、前記モータの回転に同期して原点の周りに回転する目標ベクトルについて、前記三相モータの回転速度が所定値以上である期間に、前記目標ベクトルの先端が前記円の外に位置しているときは、該先端が前記円内に含まれるように前記目標ベクトルの長さを補正し、前記三相モータの回転速度が前記所定値未満である期間に、前記目標ベクトルの先端が前記多角形の外に位置しているときは、該先端が前記多角形内に含まれるように前記目標ベクトルの長さを補正し、前記補正後の目標ベクトルに基づいて各相別コイル電流を制御することを特徴とする。
【００２０】
第６発明によれば、どの相のコイル温度も任意の時点で上限温度以下に保持されるとともに、高速回転時の滑らかな回転と、低速回転時や停止時の各相別の最大限トルクの確保とを両立させることができる。
【００２１】
本発明の歩行補助装置は、第１〜第６発明のいずれかの１つのモータ制御装置と、大腿フレームと下腿フレームとを枢支する関節と、前記モータ制御装置により制御されるモータを含み該モータの駆動力により前記関節を駆動して前記大腿フレームと前記下腿フレームとの相互角を制御するアクチュエータとを備える。
【００２２】
本発明の歩行補助装置によれば、高出力トルクを要求されつつ、モータの回転停止及び低速回転する期間の比較的長くなる使われ方の多いために、コイル温度が高くなり易いにもかかわらず、コイル温度を上限温度内に抑えつつ、コイル電流の制限を抑制して、モータの性能を十分に発揮することができる。
【００２３】
本発明のモータ制御方法は、モータのコイル温度を検出するコイル温度検出ステップと、現在から第１の所定時間経過後のコイル温度を上限温度以下に留まらせるコイル電流の上限値を、前記第１の所定時間より短い第２の所定時間が経過するごとに、前記コイル温度検出ステップで検出されたコイル温度を用いて決定する上限電流決定ステップと、コイル電流が前記上限値以下になるように該コイル電流を制御するコイル電流制御ステップとを備えることを特徴とする。
【００２４】
本発明のモータ制御方法によれば、コイル電流の上限値は、コイル温度に基づいて第１の所定時間後のコイル温度が上限温度以下に留まるように、第１の所定時間より短い第２の時間の経過ごとに、決定される。そして、コイル電流が、上限値以下になるように、制御される。この結果、従来のモータ制御方法では、制御遅れやオーバーシュートを考慮して、閾値をコイル上限保証温度より大分低い値に設定し、現在のコイル温度と所定の静的な閾値とを対比して、該閾値を超えているときには、コイル電流を下げるのに対し、本発明のモータ制御方法では、第１の所定時間後の上限温度は、制御遅れやオーバーシュートを考慮せずに、コイル上限保証温度に近い値を設定することができる。したがって、本発明のモータ制御方法によれば、現在のコイル温度は、従来のモータ制御方法における閾値より高温になるまで、コイル電流を増大することができ、モータ性能の低下につながるコイル電流の制限を極力、抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】モータ制御装置の構成図。
【図２】上限電流算出部が算出したコイル電流の上限値に基づいてコイル電流を制御する場合のコイル温度及びコイル電流の変化を例示する図。
【図３】コイル電流を制御する場合のむだ時間についての説明図。
【図４】ＤＣブラシレスモータにおけるコイル温度及びコイル電流とコイル抵抗値との関係についての説明図。
【図５】上限電流算出部が算出した上限値に対するベクトル処理部の処理についての説明図。
【図６】各相コイルごとに使用状況が相違しているときのベクトル処理部によるＤ−Ｑ座標上の補正ベクトルの算出方式を示す図。
【図７】各相コイルごとに使用状況が相違しているときのベクトル処理部によるＤ−Ｑ座標上の補正ベクトルの別の算出方式を示す図。
【図８】各相のコイル電流の上限値の相対関係により決まるＤ−Ｑ座標上の種々の多角形を示す図。
【図９】コイル電流の上限値をＤＣブラシレスモータの回転速度に応じて変更する場合のＤ−Ｑ座標上の円の変化を示す図。
【図１０】モータ制御装置を搭載する歩行補助装置の斜視図。
【図１１】図１０の歩行補助装置においてモータ及びバッテリが配備されている大腿フレームの切断側面図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１を参照して、モータ制御装置１の主要構成について説明する。ＤＣブラシレスモータ２は、スター結線の三相モータから構成され、インバータ３から３つの相線４ｕ，４ｖ，４ｗを介してＵ，Ｖ，Ｗ相の相電流（コイル電流）が供給される。
【００２７】
コイル温度検出手段としての温度センサ６ｕ，６ｖ，６ｗはＤＣブラシレスモータ２の各相コイルの温度を検出する。各相コイルはＤＣブラシレスモータ２の固定子に電気角１２０°の間隔で周方向に配備されている。
【００２８】
トルク・速度制御部１２、上限電流算出部１５、ベクトル処理部１６及び相電流変換部１７の各機能は、マイクロコンピュータが所定のソフトウェアを実行することにより実現される。上限電流決定手段としての上限電流算出部１５は、温度センサ６ｕ，６ｖ，６ｗから各相コイルの温度に係る情報を入力されるとともに、相電流変換部１７から各相の現在のコイル電流に係る情報を入力される。上限電流算出部１５は、これらの入力情報に基づいて相別に相電流の上限値を算出する。上限電流算出部１５における相別上限値の具体的な算出の仕方は図２〜図５において後述する。上限電流算出部１５は、算出した相別上限値に係る情報をベクトル処理部１６へ送る。
【００２９】
トルク・速度制御部１２は、各種入力に基づいてＤＣブラシレスモータ２の目標トルクと目標回転速度とを算出する。各種入力には、図示していないセンサからの検出信号だけでなく、利用者からの指示等も含まれる。利用者とは、モータ制御装置１が後述の歩行補助装置５０（図１０）に搭載された場合には、歩行補助装置５０の利用者のことである。
【００３０】
トルク・速度制御部１２は、算出した目標回転速度に係る情報を電圧変換部１１へ出力し、電圧変換部１１は、該目標回転速度に対応する電圧にバッテリ１０の出力電圧を変換して、インバータ３の入力端子に印加する。トルク・速度制御部１２は、また、ＤＣブラシレスモータ２について算出した目標回転速度及び目標トルクに係る情報をベクトル処理部１６へ出力する。
【００３１】
ベクトル処理部１６は、ＤＣブラシレスモータ２についての目標回転速度及び目標トルクに係る情報に基づいてＤ−Ｑ座標上に目標ベクトルを生成するとともに、該目標ベクトルを上限電流算出部１５からの相別上限値に係る情報に基づいて補正する。目標ベクトルについての具体的な補正の仕方は、図２〜図９において後述する。ベクトル処理部１６と前述のインバータ３及び電圧変換部１１とは本発明のコイル電流制御手段を構成する。
【００３２】
ベクトル処理部１６は、補正後の目標ベクトル（以下、適宜、「補正ベクトル」という。）に係る情報を相電流変換部１７へ出力する。相電流変換部１７は、各瞬時の補正ベクトルの向き及び長さに基づいて各相の相電流を算出し、相別に算出した相電流に対応する計３つの制御信号をインバータ３へ出力する。相電流変換部１７は、また、相別に算出した相電流を相別の現在の相電流についての情報として、上限電流算出部１５へ出力する。上限電流算出部１５は、この情報を、後述する上限値の算出に使用する。
【００３３】
インバータ３は、相電流変換部１７からＵ，Ｖ，Ｗ相の相別に３つの制御信号を受け取る。インバータ３は、ＤＣブラシレスモータ２内のスター結線接続に対応して、相線４ｕ，４ｖ，４ｗ別にインバータ素子を備えている。相電流変換部１７がインバータ３へ相別に出力するＵ，Ｖ，Ｗ相の３つの制御信号は、相線４ｕ，４ｖ，４ｗにそれぞれ設けられているインバータ素子のオン、オフの切替タイミングを制御するものになっている。これにより、インバータ３は、ＤＣブラシレスモータ２の各相電流を、相電流変換部１７が相別に算出した値に制御する。
【００３４】
図２は、上限電流算出部１５が算出した上限値Ｉlimitに基づいてコイル電流を制御する場合のコイル温度及びコイル電流の変化を例示している。図２において、横軸は時間であり、現在時刻を０としている。縦軸はコイル温度及びコイル電流となっている。図２は、説明の便宜上、ＤＣブラシレスモータ２の３つの相コイルの温度環境は同一であると仮定して、１つの相についての変化を示している。
【００３５】
図２に対応付けられるコイル電流制御では、コイルの上限温度Ｔlimitは１００℃、現在のコイル温度Ｔは０℃としている。また、該コイル電流制御に使用する所定時間ｔxを定義する。所定時間ｔxは、該所定時間ｔx経過後にコイル温度がＴlimitを上回らないように、コイル電流の上限値Ｉlimitを算出するときに用いる。所定時間ｔxは、本発明の第１の所定時間に相当し、該コイル電流制御では１０秒としている。
【００３６】
コイル電流の上限値Ｉlimitの算出に使用する具体的な式（ｅ１１）〜（ｅ１４），式（ｅ２１），（ｅ２２）、式（ｅ３１）〜（ｅ３４）及び式（ｅ４１）〜（ｅ４５）については後述する。
【００３７】
コイル温度が図２の変化となるように、コイル電流を図２のように制御するモータ制御装置１では、常に、現在から所定時間ｔx経過後のコイル温度がＴlimit以下に留まるように、現在のコイル電流の上限値Ｉlimitを所定時間ｔyの経過ごとに算出して、更新していく。なお、所定時間ｔyは、ｔy＜ｔxとして定義され、本発明の第２の所定時間に相当する。好ましくは、所定時間ｔyの整数倍が、本発明の第１の所定時間に相当する前述の所定時間ｔxとされる。このように、動的な上限値Ｉlimitの設定により、コイル温度は、上限温度Ｔlimitに相当に接近しつつも、上限温度Ｔlimitを上回らないように、コイル電流を制御することができる。この結果、上限温度Ｔlimitは、コイルの上限保証温度以下でかつ非常に近い値に設定することができる。
【００３８】
図３はコイル電流を制御する場合のむだ時間について説明するものである。コイル電流の制御目標値を時刻ｔ１においてステップ状に上昇させても、コイル温度が実際に上昇するのは時刻ｔ２からであり、コイル温度が実際に上昇開始するまでには、図３に示すように、時刻ｔ１とｔ２との差であるむだ時間が生じる。
【００３９】
なお、図３では、コイル電流の制御目標値をステップ状に上昇させるときを示しているが、ステップ状に下降させるときも、同様にむだ時間が生じる。図２で説明した所定時間ｔxは該むだ時間（特に、コイル電流の制御目標値をステップ状に下降するときのむだ時間）より大きい値として設定しなければならない。
【００４０】
図４はＤＣブラシレスモータ２のコイルを構成する銅線の温度Ｔと抵抗値Ｒとの関係を示している。コイルの基準抵抗値をＲ0、基準温度をＴ0、温度係数をαとして、温度Ｔのときの抵抗値Ｒは、Ｒ＝Ｒ0｛１＋α（Ｔ−Ｔ0）｝により算出される。
【００４１】
次の式（ｅ１１）〜（ｅ１４）は、上限値Ｉlimitの計算過程を順番に示している。ＤＣブラシレスモータ２は相コイルを３つ有するが、この例では、温度環境はどの相コイルも同一であると想定し、どの相コイルについてもこれらの式を適用する。
【００４２】
式（ｅ１１）〜式（ｅ１４）において、Ｔ，Ｒ，Ｒ0，αについては、図４において定義したものである。Ｔは現在のコイル温度［℃］、Ｒは現在のコイル温度Ｔにおけるコイルの抵抗値［Ω］、Ｒ0はコイルが基準温度Ｔ0にある時のコイルの抵抗［Ω］、αはコイルの抵抗についての温度係数［／℃］である。さらに、Ｔbodyはコイルが組み付けられているモータ本体の温度［℃］であり、Ｔlimitはコイルの上限温度［℃］、Ｗは現在のコイル温度におけるコイルの放熱率［Ｗ（ワット）］、ｈは熱伝達係数［Ｗ／℃］、ｔは現在から経過時間［ｓｅｃｏｎｄ（秒）］、Ｉlimitはコイルの上限値［Ａ（アンペア）］、Ｃはコイルの熱容量［Ｊ（ジュール）／℃］である。なお、放熱率Ｗは、静的なものではなく、コイルの蓄積熱量が増大するに連れて、増大する動的なものである。
【００４３】
【数１】
【００４４】
式（ｅ１１）からコイルの現在の抵抗値Ｒが算出される。なお、式（ｅ１１）の２４は図４の基準温度Ｔ0のことであり、２４℃を意味する。式（ｅ１２）から放熱率Ｗが算出される。式（ｅ１３）から現在から所定時間ｔxが経過するまでのコイルの残り蓄熱量Ｉlimit２・ｔ・Ｒが算出される。なお、式（ｅ１３）は近似式であり、実際には、Ｒ，Ｗ等は所定時間ｔxの間、時々刻々に変化する動的なものであり、上限値Ｉlimitの算出のために実施する後述のコイル温度予想計算では、この動的な変化を反映してもよいし、近似式で済ませてもよい。
【００４５】
式（ｅ１３）をＩlimitについて解くと、式（ｅ１４）が得られる。上限電流算出部１５は、式（ｅ１４）から算出したＩlimitをベクトル処理部１６へ出力する。
【００４６】
ＤＣブラシレスモータ２の上限値Ｉlimitについて具体的な決め方について２つの例を説明する。なお、ＤＣブラシレスモータ２の上限値Ｉlimitの検出の仕方は３相共通であるので、１相のみについて説明する。
【００４７】
［第１例］
ＤＣブラシレスモータ２について実験を行って、図２のような特性グラフを予め作成し、その特性データを上限値演算用不揮発メモリに記憶しておく。図２についての前述の説明では、図２は、上限電流算出部１５が算出した上限値Ｉlimitに基づいてコイル電流を制御する場合のコイル温度及びコイル電流の変化の例示であるとしたが、別の言い方をすると、各コイル温度に対して上限電流算出部１５がコイル電流の上限値Ｉlimitを図２に示した特性の上限値にすれば、コイル温度Ｔが所定時間ｔx後にコイルの上限温度Ｔlimit以下になるように保証することができる。
【００４８】
なお、図２の特性グラフは、ＤＣブラシレスモータ２の作動開始時のコイル温度Ｔは０℃とするとともに、コイルの上限温度Ｔlimitは１００℃、所定時間ｔxは１０秒としているが、これらの値は適宜変更可能である。この算出例についての以下の説明では、図２の特性グラフのデータに基づき現在のコイル温度のみからコイル電流の上限値Ｉlimitを算出するようになっているが、図２の特性グラフにおけるコイル温度及び上限値Ｉlimitの特性は、設定した所定時間ｔx及び上限温度Ｔlimitに対応付けられている。したがって、この算出例では、上限電流算出部１５は、現在のコイル温度と上限温度Ｔlimitと所定時間ｔxとに基づいて上限値Ｉlimitを算出していることになる。
【００４９】
上限値Ｉlimitの算出処理では、最初に、温度センサ６ｕ，６ｖ，６ｗの検知信号に基づき現在のコイル温度を検出し、検出した現在のコイル温度を、上限値演算用不揮発メモリ上のコイル温度データと照合して、現在のコイル温度に対応付けられるコイル温度データを検索する。そして、検索により見つかったコイル温度データに対し、さらに、上限値演算用不揮発メモリ上で該コイル温度データに対応付けられているコイル電流データを検索する。
【００５０】
次に、検索により見つかったコイル電流データに係るコイル電流を上限値Ｉlimitにする。なお、上限値演算用不揮発メモリに記憶されている特性データのコイル温度は離散値であるので、温度センサ６ｕ，６ｖ，６ｗの検知信号に基づき検出したコイル温度に完全に一致するものがない場合がある。そのような場合には、補間法を用いて、現在のコイル温度に対応する上限値Ｉlimitを算出する。
【００５１】
第１例では、上限値Ｉlimitの算出が単純となり、算出に要する時間を短縮することができる。なお、算出を単純化した分、算出精度が低下するが、算出精度の低下は、所定時間ｔyを短くして、上限値Ｉlimitの更新間隔を短くすること等により補償することができる。したがって、したがって、現在から所定時間ｔx後のコイル温度Ｔがコイルの上限温度Ｔlimitを上回ることはない。
【００５２】
［第２例］
上限値Ｉlimitを所定のシミュレーションにより算出する。最初に、現在のコイル電流を仮の上限値Ｉtに設定し、現在から一定時間Δｔ（Δｔ＜所定時間ｔx）が経過するごとに仮の上限値Ｉtによってコイル温度がどのように変化していき、所定時間ｔx後のコイル温度を予想コイル温度として求める。なお、この一定時間Δｔは、上限値Ｉlimitを算出する際の予想コイル温度を算出する際に使用する時間区分であり、前述の所定時間ｔyとは異なるものである。
【００５３】
具体的には、式（ｅ１１）〜（ｅ１３）を使って、Δｔ後のコイル温度を算出する。具体的には、第１段階として、ＴにΔｔの開始時のコイル温度（初回は現在のコイル温度）を代入して、式（ｅ１１）及び（ｅ１２）からＲ及びＷを求める。なお、Ｔbodyは所定時間ｔx中、不変と仮定する。
【００５４】
第２段階として、式（ｅ１３）のＴlimitをΔｔの終了時のコイル温度（未知数）のｘとし、Ｉlimitに仮の上限値Ｉtを代入し、式（ｅ１１）及び（ｅ１２）から求めたＲ及びＷを式（ｅ１３）に代入して、未知数ｘを解く。ｘの解をΔｔの開始時のコイル温度にして、再び第１及び第２段階を繰り返す。
【００５５】
こうして、現在からΔｔ経過ごとのコイル温度を順番に求めていき、時間Δｔの積算量が所定時間ｔxに到達した時のコイル温度としての予想コイル温度が上限温度Ｔlimitを超えているか否かを調べる。もし超えているならば、所定時間ｔx後にコイル温度を上限温度以下に留めるコイル電流の上限値は現在の仮の上限値Ｉtより低い値にしなければならないので、仮の上限値Ｉtを所定量低い値ΔＩに更新するとともに（Ｉt−ΔＩ→Ｉt）、更新後の仮の上限値Ｉtに対して、コイル温度を現在のコイル温度にして現在から所定時間ｔx後の予想コイル温度を求める算出処理を繰り返す。
【００５６】
こうして、繰り返される予想コイル温度算出処理で予想コイル温度が初めて上限温度以下になったときの予想コイル温度算出処理における仮の上限値Ｉtを上限値Ｉlimitに定める。
【００５７】
図５は、上限電流算出部１５が算出した上限値に対するベクトル処理部１６の処理を説明する図である。ベクトル処理部１６はＤ−Ｑ座標上で所定のベクトル演算を実施する。図５には、Ｕ，Ｖ，Ｗ相に対応するＵ，Ｖ，Ｗ軸が記載されているが、Ｕ，Ｖ，Ｗ軸の原点周りの角度間隔は電気角で１２０°間隔になっている。図５では、また、Ｄ，Ｑ軸は、Ｕ，Ｖ，Ｗ軸のいずれとも一致していないが、Ｄ，Ｑ軸とＵ，Ｖ，Ｗ軸との相対角は任意に設定することができる。
【００５８】
図５の処理では、ＤＣブラシレスモータ２の各相コイルは任意の時刻に相互に同一の状態にあることを想定している。したがって、ＤＣブラシレスモータ２の３つの相コイルの中から任意の１つの相コイルを選択して、他の相コイルについての演算は省略する。図５の処理では、Ｖ相の相コイルが選択されている。
【００５９】
図５の説明に先立ち、次の式（ｅ２１）〜（ｅ２４）について説明する。式（ｅ２１）及び式（ｅ２２）は上限電流算出部１５が使用し、式（ｅ２３）及び式（ｅ２４）はベクトル処理部１６が使用する。これらの式では、ＤＣブラシレスモータ２の各相コイルは温度環境について相互に同一状態を保持して変化していることを想定している。したがって、これらの式からＶ相のみについて算出された値は他の相にも適用する。これらの式の記号に付けられている添え字のＶは該記号がＶ相のものであることを示している。
【００６０】
【数２】
【００６１】
式（ｅ２１）は前述の式（ｅ１４）をＶ相について適用したものである。式（ｅ２２）では、式（ｅ２１）により算出したＶ相の上限値が上限値Ｉr_limitに代入される。上限値Ｉr_limitは、後述の式（ｅ３４），（ｅ３５）にも使用されるものであり、プログラムの汎用化上、設定する単なる変数である。式（ｅ２３）では、Ｄ−Ｑ座標上で処理するために、Ｉr_limitに√３を掛けて、Ｉdq_limitが算出される。式（ｅ２４）については後述する。
【００６２】
ベクトル処理部１６は、トルク・速度制御部１２からＤＣブラシレスモータ２の目標回転速度及び目標トルクの情報を受ける。目標ベクトルＡは、Ｄ−Ｑ座標の原点を基点として、ＤＣブラシレスモータ２の目標回転速度に対応する回転速度で原点の周りに回転する。なお、ＤＣブラシレスモータ２の目標回転速度と、Ｄ−Ｑ座標上の目標ベクトルＡの回転速度との関係は、ＤＣブラシレスモータ２の極数に関係する。ＤＣブラシレスモータ２の同一の目標回転速度に対し、ＤＣブラシレスモータ２の極数が大きいほど、Ｄ−Ｑ座標上の目標ベクトルの回転速度は増大する。目標ベクトルＡの長さは目標トルクに対応する。
【００６３】
図５では円Ｐcが設定されている。円Ｐcは、中心が原点にあり、半径がＩdq_limitの長さとなっている。該円Ｐcはコイル電流の上限値を規定する。目標ベクトルＡは、その先端位置が該円Ｐcの内側に含まれるときは、すなわち、｜（Ｉd_cmd，Ｉq_cmd）｜≦Ｉdq_limitであるときは、補正ベクトルＢ（Ｉ’d_cmd，Ｉ’q_cmd）＝目標ベクトルＡ（Ｉd_cmd，Ｉq_cmd）とされる。
【００６４】
これに対し、目標ベクトルＡは、その先端位置が該円Ｐcより外側にあるときは、すなわち、｜（Ｉd_cmd，Ｉq_cmd）｜＞Ｉdq_limitであるときは、補正ベクトルＢに補正される。補正ベクトルＢ（Ｉ’d_cmd，Ｉ’q_cmd）は、目標ベクトルの向きを維持しつつ、長さだけをＩdq_limitに変更したものである。式（ｅ２４）は、｜（Ｉd_cmd，Ｉq_cmd）｜＞Ｉdq_limitであるときの補正ベクトルＢの算出式である。
【００６５】
ベクトル処理部１６は、補正ベクトルＢの情報を相電流変換部１７へ出力する。相電流変換部１７は、各時点の補正ベクトルＢに対応するＵ，Ｖ，Ｗ相の相電流を算出し、その相電流に係る情報をインバータ３及び上限電流算出部１５へ出力する。Ｕ，Ｖ，Ｗ相の相電流は位相が１２０°ずつずれているとともに、各時点の総和は０となっているので、各時点の補正ベクトルＢからＵ，Ｖ，Ｗ相の各時点の相電流の大きさ及び位相が一義に決まる。
【００６６】
こうして、インバータ３からＤＣブラシレスモータ２への各相電流は、上限電流算出部１５が算出した上限値以下のものになる。この結果、ＤＣブラシレスモータ２の各相コイルの温度は、現在から所定時間ｔx経過後において上限温度Ｔlimit以下に留まる。
【００６７】
なお、この例では、補正ベクトルＢの長さは相電流の実効値に対応しているので、各時点の相電流を算出する際には、実効値（補正ベクトルＢの長さ）に√２を掛けて、振幅（波高値）に変換してから、該振幅に対して位相に係る係数を掛けて、各相電流を算出する。
【００６８】
図６は相間で温度状況に差異が考えられるときのベクトル処理部１６による補正ベクトルの算出方式を示している。図６の説明に先立ち、次の式（ｅ３１）〜（ｅ３６）について説明する。
【００６９】
【数３】
【００７０】
式（ｅ３１）〜（ｅ３３）は前述の式（ｅ２１）に対応する。式（ｅ２１）では、３相の使用状態が同一であるため、その中の代表としてＶ相のみについて計算していたが、式（ｅ３１）〜（ｅ３３）ではＵ，Ｖ，Ｗの各相についてそれぞれ上限値Ｉur_limit，Ｉvr_limit，Ｉwr_limitを算出する。なお、（ｅ３１）〜（ｅ３４）において、添え字のＵ，Ｖ，Ｗは、それが付けられている記号がそれぞれＵ，Ｖ，Ｗ相のものであることを意味している。
【００７１】
式（ｅ３４），（ｅ３５）は前述の式（ｅ２２），（ｅ２３）に対応する。式（ｅ３４）では、上限値Ｉur_limit，Ｉvr_limit，Ｉwr_limitの内、最小のものをＩr_limitとして選択する。式（ｅ３５）では、Ｄ−Ｑ座標上で処理するために、Ｉr_limitに√３を掛けて、Ｉdq_limitが算出される。こうして、算出されたＩdq_limitは、上限値Ｉur_limit，Ｉvr_limit，Ｉwr_limitの内、最小のものに対応した大きさとなる。
【００７２】
図６に戻る。図６（ａ）〜（ｃ）は、Ｉur_limit，Ｉvr_limit，Ｉwr_limitの３つの内の最小のものに対応付けて円Ｐcを設定している。円Ｐcは、中心をＤ−Ｑ座標の原点にし、半径はＩur_limit，Ｉvr_limit，Ｉwr_limitの３つの内の最小のものに√３を掛けた値になっている。
【００７３】
図６（ａ）では、Ｉur_limit＝Ｉvr_limit＝Ｉwr_limit＝Ｉdq_limit／√３となっている。図６（ｂ）では、Ｉur_limit，Ｉvr_limit，Ｉwr_limitの３つの内、最小はＩwr_limitであり、Ｉwr_limit＝Ｉdq_limit／√３となっている。図６（ｃ）では、Ｉur_limit，Ｉvr_limit，Ｉwr_limitの３つの内、最小はＩvr_limitであり、Ｉvr_limit＝Ｉdq_limit／√３となっている。
【００７４】
式（ｅ３６）は、補正ベクトルＢの長さの算出式となっている。目標ベクトルＡの長さはＡの先端位置のＤ−Ｑ座標から求められる。｜（Ｉd_cmd，Ｉq_cmd）｜＞Ｉdq_limitならば、すなわち｜Ａ｜＞｜Ｂ｜の場合には、向きは変更せず、長さは円Ｐcの半径に縮小した補正ベクトルＢに変更される（Ｂ＝（Ａ／｜Ａ｜）・Ｉdq_limit）。｜（Ｉd_cmd，Ｉq_cmd）｜≦Ｉdq_limitならば、Ａ＝Ｂとなる。
【００７５】
ベクトル処理部１６は、図６に係る処理から求めた補正ベクトルＢの情報を相電流変換部１７へ出力する。相電流変換部１７は、各時点の補正ベクトルＢからＵ，Ｖ，Ｗ相の相電流を算出し、その相電流に係る情報をインバータ３及び上限電流算出部１５へ出力する。
【００７６】
Ｄ−Ｑ座標上に設定する円Ｐcを、上限値Ｉur_limit，Ｉvr_limit，Ｉwr_limitの内、最小のものに対応付けて設定する結果、相電流変換部１７が補正ベクトルＢを変換して算出するＵ，Ｖ，Ｗ相の相電流はいずれもそれぞれ上限値Ｉur_limit，Ｉvr_limit，Ｉwr_limit以下になる。これにより、いずれの相コイルのコイル温度も所定時間ｔx後にＴlimitを上回ることが回避される。
【００７７】
図７は各相コイルごとに使用状況が相違しているときのベクトル処理部１６による補正ベクトルの別の算出方式を示している。図６の算出方式ではＤ−Ｑ座標において円Ｐcが使用されているが、図７の算出方式では、多角形Ｐsが使用される。図７では、また、Ｄ−Ｑ座標のＱ軸はＵ軸と一致させているが、Ｄ，Ｑ軸とＵ，Ｖ，Ｗ軸との相対角は任意に設定することができる。
【００７８】
多角形Ｐsは、図８で後述するように、６角形又は４角形となる。図８では、Ｐsは６つの辺ｐ1〜ｐ6から成る。対辺同士（ｐ1，ｐ4），（ｐ2，ｐ5），（ｐ3，ｐ6）は、相互に平行になっている。また、（ｐ1，ｐ4），（ｐ2，ｐ5），（ｐ3，ｐ6）はそれぞれＵ，Ｖ，Ｗ軸に直角になっている。
【００７９】
（ｐ1，ｐ4）の距離、（ｐ2，ｐ5）の距離及び（ｐ3，ｐ6）の距離は、典型的には、それぞれ式（ｅ３１）、（ｅ３２）及び（ｅ３３）で算出したＩur_limit、Ｉvr_limit及びＩwr_limitの√２（＝２／√２）倍であるが、それぞＩur_limit、Ｉvr_limit及びＩwr_limitの最大２倍まで可能である。Ｉur_limit、Ｉvr_limit及びＩwr_limitの√２とする理由については、後述の図９におけるｋを、ＤＣブラシレスモータ２の回転停止時に１／√２（√２は１／√２の２倍に相当）とする理由と同じである。すなわち、多角形Ｐsの設定は、本来的にはＤＣブラシレスモータ２の回転停止時に対処しようとするものだからである。
【００８０】
図７の（Ｉd_cmd，Ｉq_cmd），（Ｉ’d_cmd，Ｉ’q_cmd）は、図５の（Ｉd_cmd，Ｉq_cmd），（Ｉ’d_cmd，Ｉ’q_cmd）の場合と同様に、目標ベクトルＡ及び補正ベクトルＢの先端位置のＤ−Ｑ座標である。
【００８１】
多角形Ｐsはコイル電流の上限値を規定する。目標ベクトルＡが該多角形Ｐsより外側にあるときは、すなわち、｜Ａ｜＞｜Ｂ｜であるときは、目標ベクトルＡは、その先端が該多角形Ｐsの辺上になる補正ベクトルＢに補正される。｜Ａ｜≦｜Ｂ｜であるときは、目標ベクトルＡがそのまま補正ベクトルＢになる。円Ｐｃについての目標ベクトルＡから補正ベクトルＢへの前述の補正式（ｅ３６）は、多角形Ｐｓについてもそのまま適用することができる。
【００８２】
多角形Ｐｓを使用する場合も、円Ｐｃを使用する場合と同様に、ベクトル処理部１６は、補正ベクトルＢの情報を相電流変換部１７へ出力する。相電流変換部１７は、各時点の補正ベクトルＢに対応するＵ，Ｖ，Ｗ相の相電流を算出し、その相電流に係る情報をインバータ３及び上限電流算出部１５へ出力する。Ｕ，Ｖ，Ｗ相の相電流は位相が１２０°ずつずれているとともに、各時点の総和は０となっており、各時点の補正ベクトルＢからＵ，Ｖ，Ｗ相の各時点の相電流の大きさ及び位相が一義に決まる。
【００８３】
なお、補正ベクトルＢの長さは相電流の実効値に対応しているので、各時点の相電流を算出する際には、実効値に√２を掛けた振幅（波高値）を基に各時点の相電流の大きさを決める。
【００８４】
図８は各相の上限値の相対関係により決まる種々の多角形を示している。図８（ａ）の場合では、Ｕ，Ｖ，Ｗ相のＤ−Ｑ座標Ｉur_limit，Ｉvr_limit，Ｉwr_limitは共に等しくなっている。この場合、多角形Ｐsは正六角形になる。
【００８５】
図８（ｂ）の場合では、Ｕ，Ｖ，Ｗ相のＤ−Ｑ座標Ｉur_limit，Ｉvr_limit，Ｉwr_limitは、Ｉur_limit＞Ｉvr_limit＞Ｉwr_limitでかつＩwr_limit・ｓｉｎ６０°≦Ｉvr_limit＋Ｉur_limit・ｔａｎ３０°である関係になっている。この場合、多角形ＰsはＵ軸方向の幅＞Ｖ軸方向の幅＞Ｗ軸方向の幅となる六角形になる。
【００８６】
図８（ｃ）の場合では、Ｕ，Ｖ，Ｗ相のＤ−Ｑ座標Ｉur_limit，Ｉvr_limit，Ｉwr_limitは、Ｉwr_limit＞Ｉur_limit＞Ｉvr_limitでかつＩwr_limit・ｓｉｎ６０°＞Ｉvr_limit＋Ｉur_limit・ｔａｎ３０°である関係になっている。この場合、多角形ＰsはＵ軸方向の幅＞Ｖ軸方向の幅となる平行四辺形になる。
【００８７】
図５及び図６の円Ｐｃによる電流制限方式では、相に関係なく、コイル電流のの上限値が一律に、３相の上限値の内の最小のものに設定されているのに対し、図７及び図８の多角形Ｐｓによる電流制御方式では、温度上昇に余裕のある相では、ない相に比して上限値が大きく設定することができる。この結果、ＤＣブラシレスモータ２の出力トルクを改善することができる。
【００８８】
また、モータでは、高速回転時では、変動の少ない回転が望まれ、低速回転時では、高出力トルクの回転が望まれる。高速回転時では、図５及び図６の円Ｐｃによる電流制限方式を選択し、低速回転時では、図７及び図８の多角形Ｐｓによる電流制御方式を選択することもできる。
【００８９】
図９は上限値をＤＣブラシレスモータ２の回転速度に応じて変更する場合のＤ−Ｑ座標上の円Ｐcの変化を示している。図９では、円Ｐcの半径は、図５の円Ｐcの半径に係数ｋを掛けた値に設定される。
【００９０】
図９（ａ）は標準半径の円Ｐcに対して係数ｋが１の場合の円Ｐcとｋが１／（√２）の場合の円Ｐcとを対比して示している。図９（ｂ）は電気角θの微分値（θの頭部にドットを付けて表している。明細書では、「θ・」と右肩にドットを付ける。）の絶対値と係数ｋとの関係を示している。
【００９１】
図９の方式を採用した場合の算出式は次の式（ｅ４１）〜（ｅ４７）となる。式（ｅ４１）〜（ｅ４３）はそれぞれ式（ｅ３１）〜（ｅ３３）に代えて用いられる。式（ｅ４１）〜（ｅ４３）におけるｋは、図９（ｂ）のグラフに従う式（ｅ４４）から算出される。式（ｅ４５）〜（ｅ４７）は式（ｅ３４）〜（ｅ３６）と同一である。
【００９２】
【数４】
【００９３】
図９の方式を用いた場合、ＤＣブラシレスモータ２は、停止へ向かう減速中、特に｜θ・｜＜θthresh｜では、ｋは１／（√２）へ漸減することになるので、ＤＣブラシレスモータ２は緩やかに回転停止することになる。
【００９４】
なお、相コイルの上限値はｋ＝１において所定時間ｔx後のコイル温度≦Ｔlimitを満たすように設定されるので、１／√２≦ｋ＜１の範囲では、相コイルの温度は、所定時間ｔx後のコイル温度≦Ｔlimitの条件を当然に満たす。
【００９５】
以上、ＤＣブラシレスモータ２、すなわち三相モータにおいてコイル温度が上限保証温度を超えないように制御するモータ制御装置１について、説明しているが、本発明のモータ制御装置は、モータコイルを含むモータであれば、交流の単相モータ及びブラシ型の直流モータにも適用可能である。単相モータ（誘導モータ）に適用したモータ制御装置では、図１のモータ制御装置１において、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３相の内の１つのコイル温度制御に関わる素子及び処理部のみを残して、他の２つの相のコイル温度制御に関わる素子を省略すればよい。
【００９６】
例えば、前述の［数１］の式（ｅ１１）〜（ｅ１４）では、ＤＣブラシレスモータ２のどの相コイルの温度環境も同一とみなして、Ｖ相のみについて上限値Ｉlimitを計算しているが、本発明のモータ制御装置を交流の単相モータ及びブラシ型の直流モータに適用する場合には、ＤＣブラシレスモータ２にＶ相のみしか存在しないと考えて、制御処理することができる。
【００９７】
本発明のモータ制御装置を交流の単相モータに適用する場合を先に説明すると、上限電流決定手段としての上限電流算出部１５は、Ｖ相の各パラメータを単相交流モータの単相交流のパラメータに置き換えて、単相交流モータの上限値Ｉlimitを計算するようにする。上限電流算出部１５が算出した、単相交流モータの上限値Ｉlimitは、単相交流モータへの入力電流を補正するコイル電流制御手段（該コイル電流制御手段は、ベクトル処理部１６に相当するものは含まない。）へ出力し、該コイル電流制御手段が、単相交流モータへ供給する単相交流の単相コイル電流が該上限値以下に制限する。
【００９８】
また、ベクトル処理部１６をそのまま単相交流モータのモータ制御装置にも使用することも可能である。その場合は、コイル電流制御手段に１素子として含まれるベクトル処理部１６は、ＤＣブラシレスモータ２の場合と同様に、図５で説明したように、目標ベクトルＡを算出し、目標ベクトルＡから、単相交流モータの上限値Ｉlimit以下に制限された補正ベクトルＢを生成し、相電流変換部１７は、例えばＶ相を単相交流モータの単相に当て嵌めて、単相交流モータの単相コイル電流をＶ相のコイル電流とみなして、補正ベクトルＢから単相交流モータのコイル電流を算出する。
【００９９】
本発明のモータ制御装置をブラシ型の直流モータに適用する場合には、上限電流決定手段が前述の式（ｅ１４）から求めた上限値Ｉlimitに対し、コイル電流制御手段が、直流モータの直流給電電流が上限値Ｉlimit以下になるように、制御する。すなわち、直流モータの目標給電電流が上限値Ｉlimitより大である場合には、上限値Ｉlimitに又はそれより小に補正して得られる直流電流を直流モータに供給する。
【０１００】
図１０及び図１１はモータ制御装置１を搭載する歩行補助装置５０の構成図である。図１のＤＣブラシレスモータ２は、脚リンク５３の第３関節（膝関節）５８の屈曲角度を調整するアクチュエータ５９内に駆動源として配備される。また、図１のバッテリ１０は、ＤＣブラシレスモータ２及びそのモータ制御装置１を含む、歩行補助装置５０に装備されるすべての電装品の電源として、大腿フレーム５５内に配備されている（図１１）。
【０１０１】
図１０において、歩行補助装置５０は、持上げ力伝達部としての着座部５１と、利用者の各脚の足平に装着される左右一対の足平装着部５２，５２と、各足平装着部５２，５２を着座部５１にそれぞれ連結する左右一対の脚リンク５３，５３とを備えている。左右の足平装着部５２，５２は互いに左右対称の同一構造である。左右の脚リンク５３，５３も互いに左右対称の同一構造である。
【０１０２】
各脚リンク５３は、着座部５１から第１関節５４を介して下側に延設された大腿フレーム５５と、各足平装着部５２から第２関節５６を介して上側に延設された下腿フレーム５７と、大腿フレーム５５と下腿フレーム５７とを、第１関節５４と第２関節５６との中間で屈伸自在に連結する第３関節５８とから構成されている。
【０１０３】
さらに、歩行補助装置５０は、各脚リンク５３ごとに、第３関節５８を駆動するための駆動力を発生するアクチュエータ５９と、このアクチュエータ５９の駆動力を第３関節５８に伝達して、該第３関節５８にその関節軸まわりの駆動トルクを付与する動力伝達機構６０とを備えている。
【０１０４】
着座部５１は、利用者が跨ぐようにして（利用者の両脚の付け根の間に配置するようにして）着座するサドル状のシート部５１ａと、シート部５１ａの下面に装着された支持フレーム５１ｂと、支持フレーム５１ｂの後端部（シート部５１ａの後側で上方に立ち上がる立ち上がり部分）に取り付けた腰当て部５１ｃとから構成されている。また、腰当て部５１ｃには、利用者または補助者が把持可能なアーチ状の把持部５１ｄが取り付けられている。
【０１０５】
持上げ力伝達部はサドル状のシート部５１ａを有する着座部５１により構成したが、ハーネス状の可撓性部材（例：特開２００７−５４６１６号公報の図１６）により持上げ力伝達部を構成してもよい。持上げ力伝達部は、利用者の体幹部に上向きの持上げ力を作用させるために、両脚の付け根の間で利用者に接する部分を備えることが好ましい。
【０１０６】
各脚リンク５３の第１関節５４は、前後方向および左右方向の２つの関節軸まわりの回転自由度（２自由度）を有する関節である。さらに詳細には、各第１関節５４は、着座部５１に連結された円弧状のガイドレール６１を備えている。そして、このガイドレール６１に、各脚リンク５３の大腿フレーム５５の上端部に固定されたスライダ６２が、該スライダ６２に軸着した複数のローラ６３を介して移動自在に係合されている。このため、各脚リンク５３は、ガイドレール６１の曲率中心を通る左右方向の軸（より詳しくはガイドレール６１の円弧を含む平面に垂直な方向の軸）を第１関節５４の第１の関節軸として、該第１の関節軸のまわりに前後方向の揺動運動（前後の振り出し運動）を行うことが可能となっている。
【０１０７】
また、ガイドレール６１は、着座部５１の支持フレーム５１ｂの後端部（立ち上がり部分）に、軸心を前後方向に向けた支軸（図示せず）を介して軸支され、該支軸５４ｂの軸心まわりに揺動可能とされている。これにより、各脚リンク５３は、支軸５４ｂの軸心を第１関節５４の第２の関節軸として、該第２の関節軸のまわりに左右方向の揺動運動、すなわち、内転・外転運動を行うことが可能となっている。この例では、左右の第１関節５４（図１０には左の第１関節５４のみ図示）の第２の関節軸は、左右の第１関節５４で共通の関節軸となっている。
【０１０８】
上記のように第１関節５４は、各脚リンク５３が、前後方向および左右方向の２つの関節軸まわりの揺動運動を行うことが可能となるように構成されている。
【０１０９】
各足平装着部５２は、利用者の各足平に履かせる靴５２ａと、靴５２ａ内から上方に突出する連結部材５２ｂとを備え、利用者の各脚が立脚（支持脚）となる状態で、靴５２ａを介して接地する。そして、連結部材５２ｂに各脚リンク５３の下腿フレーム５７の下端部が第２関節５６を介して連結されている。
【０１１０】
第３関節５８は、左右方向の１軸まわりの回転自由度を有する関節であり、大腿フレーム５５の下端部に下腿フレーム５７の上端部を軸支する支軸５８ａを有する。該支軸５８ａの軸心は、第１関節５４の第１の関節軸（ガイドレール６１の円弧を含む平面に垂直な方向の軸）とほぼ平行である。そして、この支軸５８ａの軸心が第３関節５８の関節軸となっており、その関節軸のまわりに、下腿フレーム５７が大腿フレーム５５に対して相対回転可能とされている。これにより、該第３関節５８での脚リンク５３の屈伸運動が可能となっている。
【０１１１】
各脚リンク５３ごとのアクチュエータ５９は、減速機６４付きのＤＣブラシレスモータ２により構成された回転アクチュエータである。この回転アクチュエータ５９は、その出力軸５９ａの軸心が第３関節５８の関節軸（支軸５８ａの軸心）と平行になるように、大腿フレーム５５の上端部（第１関節５４寄りの部分）の外面に搭載され、該回転アクチュエータ５９のハウジング（ＤＣブラシレスモータ２の固定子に固定されている部分）が大腿フレーム５５に固設されている。
【０１１２】
主に図１１において、各動力伝達機構６０は、回転アクチュエータ５９の出力軸５９ａに同心に固定された駆動クランクアーム６６と、第３関節５８の関節軸と同心に下腿フレーム５７に固定された従動クランクアーム６７と、一端と他端とをそれぞれ駆動クランクアーム６６、従動クランクアーム６７に枢着した連結ロッド６８とから構成されている。該連結ロッド６８は、駆動クランクアーム６６に対する枢着部６８ａと、従動クランクアーム６７に対する枢着部６８ｂとの間で直線状に延在している。
【０１１３】
ＤＣブラシレスモータ２の運転によって回転アクチュエータ５９の出力軸５９ａから出力される駆動力（出力トルク）は、該出力軸５９ａから駆動クランクアーム６６を介して連結ロッド６８の長手方向の並進力に変換され、その並進力（ロッド伝達力）が連結ロッド６８をその長手方向に伝達する。さらに、該並進力が連結ロッド６８から従動クランクアーム６７を介して駆動トルクに変換され、その駆動トルクが、第３関節５８の関節軸まわりに脚リンク５３を屈伸させる駆動力として該第３関節５８に付与される。
【０１１４】
各脚リンク５３の大腿フレーム５５および下腿フレーム５７のそれぞれの長さの総和は、利用者の脚を直線状に伸展させた状態での該脚の長さよりも長いものとなっている。このため、各脚リンク５３は、第３関節５８で常時、屈曲する。その屈曲角度は、利用者の平地での通常歩行時には、例えば約４０°〜７０°の範囲の角度となる。
【０１１５】
バッテリ１０は、大腿フレーム５５において、連結ロッド６８とガイドレール６１との間に配置される。カバー７０は、大腿フレーム５５に取り付けられて、バッテリ１０を覆う。バッテリ１０は、歩行補助装置５０に装備されるすべての電装品に電力を供給する。
【０１１６】
前述したように、回転アクチュエータ５９のＤＣブラシレスモータ２の回転動力は、動力伝達機構６０を介して膝関節としての第３関節５８の屈曲角度の調整に使用される。第３関節５８は、屈曲角度を変更する時は回転のために、ＤＣブラシレスモータ２の回転動力を必要とするが、屈曲角度を一定に維持する時も、利用者の体重等を支持するために所定のトルクを出力する必要がある。したがって、ＤＣブラシレスモータ２は、利用者が着座部５１に着座して、第３関節５８に重量がかかっている期間では、第３関節５８の運動中及び停止中に関係なく、常時、バッテリ１０から給電を受ける必要がある。
【０１１７】
ＤＣブラシレスモータ２の各相コイルに必要とされる相電流は、第３関節５８の静止中の屈曲角度に関係し、該静止中の屈曲角度によって相電流が３相間で不均衡になることが頻繁に生じる。歩行補助装置５０では、また、ユーザか立ち止まりと歩行とを頻繁に繰り返すので、ＤＣブラシレスモータ２と出力軸５９ａとの間には、減速機６４が介在するものの、ＤＣブラシレスモータ２の回転速度は、低速から高速の広い範囲にわたり変化する。
【０１１８】
モータ制御装置１は、歩行補助装置５０におけるＤＣブラシレスモータ２についてのこのような使用環境に対して、前述のように、各相のコイル電流の上限値を算出して、各相のコイル電流を制御して、コイル温度が上限の保証温度以下に留まるように、適切に制御する。
【０１１９】
本発明を実施形態について説明したが、本発明はその要旨の範囲内で種々に変形して実施することができる。
【符号の説明】
【０１２０】
１・・・モータ制御装置、２・・・ＤＣブラシレスモータ（三相モータ）、６ｕ，６ｖ，６ｗ・・・温度センサ（コイル温度検出手段）、１５・・・上限電流算出部（上限電流決定手段）、１６・・・ベクトル処理部（コイル電流制御手段）、１７・・・相電流変換部（コイル電流制御手段）、５０・・・歩行補助装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータコイルの過熱を防止するモータ制御装置、該モータ制御装置を装備する歩行補助装置及びモータ制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
歩行補助装置等に装備されるモータでは、回転中だけでなく、回転停止中も、回転角を保持するために、コイルは通電状態に維持されている。コイルは、通電中、発熱するので、コイルの発熱量が放熱量を上回っていると、温度が上昇して、過熱状態になってしまう。したがって、モータの使用中、コイルが、過熱温度にならないように、保護する必要がある。
【０００３】
特許文献１は、三相モータの過熱対策として、相電流の所定の関数又は相電流の累乗関数の積算値に基づいてモータ電流を制限することを開示する（特許文献１段落００４７）。特許文献１は、また、三相モータにおいて、相別に相電流の積算値をそれぞれ算出し、最大積算値の相における積算値に基づいて全部の相電流を制限することを開示する（特許文献１段落００３６）。
【０００４】
特許文献２は、ＤＣブラシレスモータにおいて、相電流の積算値又は相電流の所定の関数による関数値と閾値との差分の積算値と、インバータの中間バス電圧とに基づいて永久磁石の温度を予測し、予測温度に基づいてモータの最大電流を制限することを開示する（特許文献２段落００３７）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２３８２９３号公報
【特許文献２】特開２００７−２８２４７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のモータ過熱対策は、現在の相電流、それを積算した現在の積算値、又はその他の関数の現在の値に応じて相電流を制限するものであり、現在から所定時間後のコイル温度が過熱温度になるか否かに基づいて相電流を制限するものになっていない。したがって、相電流についての減少制御開始後、コイル温度が実際に低下するまでの時間遅れや、コイル温度のオーバーシュートに対処するために、閾値は、コイルの保証上限温度より十分に低い温度に対応する値に設定して、該現在の各種値が該閾値に以下になるように制御されており、本来ならば、まだ、コイル電流を増加できるにもかかわらず、早めにコイル電流が抑制されてしまい、モータの性能を十分に出し切れていなかった。
【０００７】
本発明の目的は、コイル温度が上限を超えないことを保証しつつ、コイル温度の上限を保証上限温度に十分に近い値に設定し、これにより、コイル電流の制限を抑制することができるモータ制御装置、該モータ制御装置を搭載する歩行補助装置、及びモータ制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１発明のモータ制御装置は、モータのコイル温度を検出するコイル温度検出手段と、現在から第１の所定時間の経過後のコイル温度を上限温度以下に留まらせるコイル電流の上限値を、前記第１の所定時間より短い第２の所定時間が経過するごとに、前記コイル温度検出手段により検出されたコイル温度を用いて決定する上限電流決定手段と、コイル電流が前記上限値以下になるようにコイル電流を制御するコイル電流制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００９】
第１発明によれば、第１の所定時間後のコイル温度が上限温度以下に留まるように、コイル電流の上限値が、第１の所定時間より短い第２の所定時間の経過ごとに、コイル温度検出手段で検出されたコイル温度を用いて決定され、コイル電流が該上限値以下になるように制御される。すなわち、コイルに上限値のコイル電流が供給されても、第１の所定時間内はコイル温度が上限温度以下に留まるようになっている状況下で、コイル電流の上限値が、第１の所定時間より短い第２の所定時間ごとに決定され、更新されていく。これにより、コイル温度は上限温度以下に留まることが保証される。
【００１０】
従来のモータ制御装置では、前述のように制御遅れやオーバーシュートを考慮して、閾値をコイル上限保証温度より十分低い値に設定し、現在のコイル温度と所定の静的な閾値とを対比して、コイル温度が閾値を超えているときにはコイル電流を低減するようにしていた。これに対し、第１発明によれば、上記のように第１の所定時間後のコイル温度を上限温度以下に留めることが保証されるので、制御遅れやオーバーシュートを考慮することなく、上限温度をコイル上限保証温度に近い値まで設定することができる。これにより、現在のコイル温度が従来のモータ制御装置における閾値より高い温度領域になるまで、コイル電流を増大することができ、モータ性能の低下につながるコイル電流の制限を極力、抑制することができる。
【００１１】
第２発明のモータ制御装置は、第１発明において、前記上限電流決定手段は、前記コイル温度としての現在のコイル温度を用いるとともに、前記上限温度と前記第１の所定時間とを用いて前記コイル電流の上限値を決定することを特徴とする。
【００１２】
第２発明によれば、現在のコイル温度とコイルの上限温度と第１の所定時間とを用いることにより、コイル電流の上限値を簡単かつ迅速に求めることができる。
【００１３】
第３発明のモータ制御装置は、第１又は第２発明において、前記モータが三相モータであり、前記コイル温度検出手段が前記三相モータの相別にコイル温度を検出するものであり、前記上限電流決定手段が、相別コイル温度に基づいて相別にコイル電流の上限値を決定し、前記コイル電流制御手段が、各相別コイル電流が各相別上限値以下になるように、各相別コイル電流を制御することを特徴とする。
【００１４】
第３発明によれば、モータが三相モータであるときに、各相においてコイル温度が上限を超えないことを保証しつつ、モータ性能の低下につながるコイル電流の制限を極力、抑制することができる。
【００１５】
第４発明のモータ制御装置は、第３発明において、前記コイル電流制御手段が、前記上限電流決定手段の相別に決定した３つの相別上限値に対し、３つの相別コイル電流を１つのベクトルで表現するＤ−Ｑ座標において、原点を中心とし前記３つの相別上限値の内の最小の相別上限値に対応する半径を有する円を設定し、前記モータに対する要求トルクに対応する長さを有し、前記モータの回転に同期して原点の周りに回転する目標ベクトルについて、その先端が前記円の外に位置しているときは、該先端が前記円内に含まれるように前記目標ベクトルの長さを補正し、該長さを補正した目標ベクトルに基づいて各相別コイル電流を制御することを特徴とする。
【００１６】
第４発明によれば、Ｄ−Ｑ座標において、中心が原点にあり、半径が３つの相別上限値の内の最小の相別上限値に対応する長さである円が設定され、目標ベクトルに対し、その先端が円の外になっているときは、該先端が該円内に含まれるように、補正して、各相のコイル電流は補正後の目標ベクトルに基づいて算出されるので、各相においてコイル温度が上限を超えないことを保証しつつ、コイル電流の制限を極力、抑制することができる。３つの相別コイル電流を１つの相別上限値により制限することになるので、制御が簡単化されるとともに、高速回転時の回転が滑らかになる。
【００１７】
第５発明のモータ制御装置は、第３発明において、前記コイル電流制御手段が、前記上限電流決定手段の相別に決定した３つの相別上限値に対し、３つの相別コイル電流を１つのベクトルにより表現するＤ−Ｑ座標において、対辺が相互に平行で各対辺間の距離が対応する相別上限値の２倍以下に相当する長さである多角形を設定し、前記モータに対する要求トルクに対応する長さを有し、前記モータの回転に同期して原点の周りに回転する目標ベクトルについて、その先端が前記多角形外に位置しているときは、該先端が前記多角形内に含まれるように前記目標ベクトルの長さを補正し、該長さを補正した目標ベクトルに基づいて各相別コイル電流を制御することを特徴とする。
【００１８】
第５発明によれば、Ｄ−Ｑ座標において、対辺が相互に平行であり、対辺間の距離が対応の相別上限値の絶対値の２倍以下に対応する長さである多角形が設定され、目標ベクトルに対し、その先端が多角形の外になっているときは、該先端が該多角形内に含まれるように、補正し、各相のコイル電流は補正後の目標ベクトルに基づいて算出される。この結果、各相コイルごとに温度環境が相違しているような場合に各相のコイル電流は、相別に決定された上限値以下に制限されるので、相に関係なく一律に上限値を設定するときよりも、コイル電流の制限を抑制することができる。
【００１９】
第６発明のモータ制御装置は、第３発明において、前記コイル電流制御手段が、前記上限電流決定手段の相別に決定した３つの相別上限値に対し、３つの相別コイル電流を１つのベクトルにより表現するＤ−Ｑ座標において、原点を中心とし前記３つの相別上限値の内の最小の相別上限値に対応する半径を有する円と、対辺が相互に平行で対辺間の距離が対応する相別上限値の絶対値の２倍以下に相当する長さである多角形とを設定し、前記モータに対する要求トルクに対応する長さを有し、前記モータの回転に同期して原点の周りに回転する目標ベクトルについて、前記三相モータの回転速度が所定値以上である期間に、前記目標ベクトルの先端が前記円の外に位置しているときは、該先端が前記円内に含まれるように前記目標ベクトルの長さを補正し、前記三相モータの回転速度が前記所定値未満である期間に、前記目標ベクトルの先端が前記多角形の外に位置しているときは、該先端が前記多角形内に含まれるように前記目標ベクトルの長さを補正し、前記補正後の目標ベクトルに基づいて各相別コイル電流を制御することを特徴とする。
【００２０】
第６発明によれば、どの相のコイル温度も任意の時点で上限温度以下に保持されるとともに、高速回転時の滑らかな回転と、低速回転時や停止時の各相別の最大限トルクの確保とを両立させることができる。
【００２１】
本発明の歩行補助装置は、第１〜第６発明のいずれかの１つのモータ制御装置と、大腿フレームと下腿フレームとを枢支する関節と、前記モータ制御装置により制御されるモータを含み該モータの駆動力により前記関節を駆動して前記大腿フレームと前記下腿フレームとの相互角を制御するアクチュエータとを備える。
【００２２】
本発明の歩行補助装置によれば、高出力トルクを要求されつつ、モータの回転停止及び低速回転する期間の比較的長くなる使われ方の多いために、コイル温度が高くなり易いにもかかわらず、コイル温度を上限温度内に抑えつつ、コイル電流の制限を抑制して、モータの性能を十分に発揮することができる。
【００２３】
本発明のモータ制御方法は、モータのコイル温度を検出するコイル温度検出ステップと、現在から第１の所定時間経過後のコイル温度を上限温度以下に留まらせるコイル電流の上限値を、前記第１の所定時間より短い第２の所定時間が経過するごとに、前記コイル温度検出ステップで検出されたコイル温度を用いて決定する上限電流決定ステップと、コイル電流が前記上限値以下になるように該コイル電流を制御するコイル電流制御ステップとを備えることを特徴とする。
【００２４】
本発明のモータ制御方法によれば、コイル電流の上限値は、コイル温度に基づいて第１の所定時間後のコイル温度が上限温度以下に留まるように、第１の所定時間より短い第２の時間の経過ごとに、決定される。そして、コイル電流が、上限値以下になるように、制御される。この結果、従来のモータ制御方法では、制御遅れやオーバーシュートを考慮して、閾値をコイル上限保証温度より大分低い値に設定し、現在のコイル温度と所定の静的な閾値とを対比して、該閾値を超えているときには、コイル電流を下げるのに対し、本発明のモータ制御方法では、第１の所定時間後の上限温度は、制御遅れやオーバーシュートを考慮せずに、コイル上限保証温度に近い値を設定することができる。したがって、本発明のモータ制御方法によれば、現在のコイル温度は、従来のモータ制御方法における閾値より高温になるまで、コイル電流を増大することができ、モータ性能の低下につながるコイル電流の制限を極力、抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】モータ制御装置の構成図。
【図２】上限電流算出部が算出したコイル電流の上限値に基づいてコイル電流を制御する場合のコイル温度及びコイル電流の変化を例示する図。
【図３】コイル電流を制御する場合のむだ時間についての説明図。
【図４】ＤＣブラシレスモータにおけるコイル温度及びコイル電流とコイル抵抗値との関係についての説明図。
【図５】上限電流算出部が算出した上限値に対するベクトル処理部の処理についての説明図。
【図６】各相コイルごとに使用状況が相違しているときのベクトル処理部によるＤ−Ｑ座標上の補正ベクトルの算出方式を示す図。
【図７】各相コイルごとに使用状況が相違しているときのベクトル処理部によるＤ−Ｑ座標上の補正ベクトルの別の算出方式を示す図。
【図８】各相のコイル電流の上限値の相対関係により決まるＤ−Ｑ座標上の種々の多角形を示す図。
【図９】コイル電流の上限値をＤＣブラシレスモータの回転速度に応じて変更する場合のＤ−Ｑ座標上の円の変化を示す図。
【図１０】モータ制御装置を搭載する歩行補助装置の斜視図。
【図１１】図１０の歩行補助装置においてモータ及びバッテリが配備されている大腿フレームの切断側面図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１を参照して、モータ制御装置１の主要構成について説明する。ＤＣブラシレスモータ２は、スター結線の三相モータから構成され、インバータ３から３つの相線４ｕ，４ｖ，４ｗを介してＵ，Ｖ，Ｗ相の相電流（コイル電流）が供給される。
【００２７】
コイル温度検出手段としての温度センサ６ｕ，６ｖ，６ｗはＤＣブラシレスモータ２の各相コイルの温度を検出する。各相コイルはＤＣブラシレスモータ２の固定子に電気角１２０°の間隔で周方向に配備されている。
【００２８】
トルク・速度制御部１２、上限電流算出部１５、ベクトル処理部１６及び相電流変換部１７の各機能は、マイクロコンピュータが所定のソフトウェアを実行することにより実現される。上限電流決定手段としての上限電流算出部１５は、温度センサ６ｕ，６ｖ，６ｗから各相コイルの温度に係る情報を入力されるとともに、相電流変換部１７から各相の現在のコイル電流に係る情報を入力される。上限電流算出部１５は、これらの入力情報に基づいて相別に相電流の上限値を算出する。上限電流算出部１５における相別上限値の具体的な算出の仕方は図２〜図５において後述する。上限電流算出部１５は、算出した相別上限値に係る情報をベクトル処理部１６へ送る。
【００２９】
トルク・速度制御部１２は、各種入力に基づいてＤＣブラシレスモータ２の目標トルクと目標回転速度とを算出する。各種入力には、図示していないセンサからの検出信号だけでなく、利用者からの指示等も含まれる。利用者とは、モータ制御装置１が後述の歩行補助装置５０（図１０）に搭載された場合には、歩行補助装置５０の利用者のことである。
【００３０】
トルク・速度制御部１２は、算出した目標回転速度に係る情報を電圧変換部１１へ出力し、電圧変換部１１は、該目標回転速度に対応する電圧にバッテリ１０の出力電圧を変換して、インバータ３の入力端子に印加する。トルク・速度制御部１２は、また、ＤＣブラシレスモータ２について算出した目標回転速度及び目標トルクに係る情報をベクトル処理部１６へ出力する。
【００３１】
ベクトル処理部１６は、ＤＣブラシレスモータ２についての目標回転速度及び目標トルクに係る情報に基づいてＤ−Ｑ座標上に目標ベクトルを生成するとともに、該目標ベクトルを上限電流算出部１５からの相別上限値に係る情報に基づいて補正する。目標ベクトルについての具体的な補正の仕方は、図２〜図９において後述する。ベクトル処理部１６と前述のインバータ３及び電圧変換部１１とは本発明のコイル電流制御手段を構成する。
【００３２】
ベクトル処理部１６は、補正後の目標ベクトル（以下、適宜、「補正ベクトル」という。）に係る情報を相電流変換部１７へ出力する。相電流変換部１７は、各瞬時の補正ベクトルの向き及び長さに基づいて各相の相電流を算出し、相別に算出した相電流に対応する計３つの制御信号をインバータ３へ出力する。相電流変換部１７は、また、相別に算出した相電流を相別の現在の相電流についての情報として、上限電流算出部１５へ出力する。上限電流算出部１５は、この情報を、後述する上限値の算出に使用する。
【００３３】
インバータ３は、相電流変換部１７からＵ，Ｖ，Ｗ相の相別に３つの制御信号を受け取る。インバータ３は、ＤＣブラシレスモータ２内のスター結線接続に対応して、相線４ｕ，４ｖ，４ｗ別にインバータ素子を備えている。相電流変換部１７がインバータ３へ相別に出力するＵ，Ｖ，Ｗ相の３つの制御信号は、相線４ｕ，４ｖ，４ｗにそれぞれ設けられているインバータ素子のオン、オフの切替タイミングを制御するものになっている。これにより、インバータ３は、ＤＣブラシレスモータ２の各相電流を、相電流変換部１７が相別に算出した値に制御する。
【００３４】
図２は、上限電流算出部１５が算出した上限値Ｉlimitに基づいてコイル電流を制御する場合のコイル温度及びコイル電流の変化を例示している。図２において、横軸は時間であり、現在時刻を０としている。縦軸はコイル温度及びコイル電流となっている。図２は、説明の便宜上、ＤＣブラシレスモータ２の３つの相コイルの温度環境は同一であると仮定して、１つの相についての変化を示している。
【００３５】
図２に対応付けられるコイル電流制御では、コイルの上限温度Ｔlimitは１００℃、現在のコイル温度Ｔは０℃としている。また、該コイル電流制御に使用する所定時間ｔxを定義する。所定時間ｔxは、該所定時間ｔx経過後にコイル温度がＴlimitを上回らないように、コイル電流の上限値Ｉlimitを算出するときに用いる。所定時間ｔxは、本発明の第１の所定時間に相当し、該コイル電流制御では１０秒としている。
【００３６】
コイル電流の上限値Ｉlimitの算出に使用する具体的な式（ｅ１１）〜（ｅ１４），式（ｅ２１），（ｅ２２）、式（ｅ３１）〜（ｅ３４）及び式（ｅ４１）〜（ｅ４５）については後述する。
【００３７】
コイル温度が図２の変化となるように、コイル電流を図２のように制御するモータ制御装置１では、常に、現在から所定時間ｔx経過後のコイル温度がＴlimit以下に留まるように、現在のコイル電流の上限値Ｉlimitを所定時間ｔyの経過ごとに算出して、更新していく。なお、所定時間ｔyは、ｔy＜ｔxとして定義され、本発明の第２の所定時間に相当する。好ましくは、所定時間ｔyの整数倍が、本発明の第１の所定時間に相当する前述の所定時間ｔxとされる。このように、動的な上限値Ｉlimitの設定により、コイル温度は、上限温度Ｔlimitに相当に接近しつつも、上限温度Ｔlimitを上回らないように、コイル電流を制御することができる。この結果、上限温度Ｔlimitは、コイルの上限保証温度以下でかつ非常に近い値に設定することができる。
【００３８】
図３はコイル電流を制御する場合のむだ時間について説明するものである。コイル電流の制御目標値を時刻ｔ１においてステップ状に上昇させても、コイル温度が実際に上昇するのは時刻ｔ２からであり、コイル温度が実際に上昇開始するまでには、図３に示すように、時刻ｔ１とｔ２との差であるむだ時間が生じる。
【００３９】
なお、図３では、コイル電流の制御目標値をステップ状に上昇させるときを示しているが、ステップ状に下降させるときも、同様にむだ時間が生じる。図２で説明した所定時間ｔxは該むだ時間（特に、コイル電流の制御目標値をステップ状に下降するときのむだ時間）より大きい値として設定しなければならない。
【００４０】
図４はＤＣブラシレスモータ２のコイルを構成する銅線の温度Ｔと抵抗値Ｒとの関係を示している。コイルの基準抵抗値をＲ0、基準温度をＴ0、温度係数をαとして、温度Ｔのときの抵抗値Ｒは、Ｒ＝Ｒ0｛１＋α（Ｔ−Ｔ0）｝により算出される。
【００４１】
次の式（ｅ１１）〜（ｅ１４）は、上限値Ｉlimitの計算過程を順番に示している。ＤＣブラシレスモータ２は相コイルを３つ有するが、この例では、温度環境はどの相コイルも同一であると想定し、どの相コイルについてもこれらの式を適用する。
【００４２】
式（ｅ１１）〜式（ｅ１４）において、Ｔ，Ｒ，Ｒ0，αについては、図４において定義したものである。Ｔは現在のコイル温度［℃］、Ｒは現在のコイル温度Ｔにおけるコイルの抵抗値［Ω］、Ｒ0はコイルが基準温度Ｔ0にある時のコイルの抵抗［Ω］、αはコイルの抵抗についての温度係数［／℃］である。さらに、Ｔbodyはコイルが組み付けられているモータ本体の温度［℃］であり、Ｔlimitはコイルの上限温度［℃］、Ｗは現在のコイル温度におけるコイルの放熱率［Ｗ（ワット）］、ｈは熱伝達係数［Ｗ／℃］、ｔは現在から経過時間［ｓｅｃｏｎｄ（秒）］、Ｉlimitはコイルの上限値［Ａ（アンペア）］、Ｃはコイルの熱容量［Ｊ（ジュール）／℃］である。なお、放熱率Ｗは、静的なものではなく、コイルの蓄積熱量が増大するに連れて、増大する動的なものである。
【００４３】
【数１】
【００４４】
式（ｅ１１）からコイルの現在の抵抗値Ｒが算出される。なお、式（ｅ１１）の２４は図４の基準温度Ｔ0のことであり、２４℃を意味する。式（ｅ１２）から放熱率Ｗが算出される。式（ｅ１３）から現在から所定時間ｔxが経過するまでのコイルの残り蓄熱量Ｉlimit２・ｔ・Ｒが算出される。なお、式（ｅ１３）は近似式であり、実際には、Ｒ，Ｗ等は所定時間ｔxの間、時々刻々に変化する動的なものであり、上限値Ｉlimitの算出のために実施する後述のコイル温度予想計算では、この動的な変化を反映してもよいし、近似式で済ませてもよい。
【００４５】
式（ｅ１３）をＩlimitについて解くと、式（ｅ１４）が得られる。上限電流算出部１５は、式（ｅ１４）から算出したＩlimitをベクトル処理部１６へ出力する。
【００４６】
ＤＣブラシレスモータ２の上限値Ｉlimitについて具体的な決め方について２つの例を説明する。なお、ＤＣブラシレスモータ２の上限値Ｉlimitの検出の仕方は３相共通であるので、１相のみについて説明する。
【００４７】
［第１例］
ＤＣブラシレスモータ２について実験を行って、図２のような特性グラフを予め作成し、その特性データを上限値演算用不揮発メモリに記憶しておく。図２についての前述の説明では、図２は、上限電流算出部１５が算出した上限値Ｉlimitに基づいてコイル電流を制御する場合のコイル温度及びコイル電流の変化の例示であるとしたが、別の言い方をすると、各コイル温度に対して上限電流算出部１５がコイル電流の上限値Ｉlimitを図２に示した特性の上限値にすれば、コイル温度Ｔが所定時間ｔx後にコイルの上限温度Ｔlimit以下になるように保証することができる。
【００４８】
なお、図２の特性グラフは、ＤＣブラシレスモータ２の作動開始時のコイル温度Ｔは０℃とするとともに、コイルの上限温度Ｔlimitは１００℃、所定時間ｔxは１０秒としているが、これらの値は適宜変更可能である。この算出例についての以下の説明では、図２の特性グラフのデータに基づき現在のコイル温度のみからコイル電流の上限値Ｉlimitを算出するようになっているが、図２の特性グラフにおけるコイル温度及び上限値Ｉlimitの特性は、設定した所定時間ｔx及び上限温度Ｔlimitに対応付けられている。したがって、この算出例では、上限電流算出部１５は、現在のコイル温度と上限温度Ｔlimitと所定時間ｔxとに基づいて上限値Ｉlimitを算出していることになる。
【００４９】
上限値Ｉlimitの算出処理では、最初に、温度センサ６ｕ，６ｖ，６ｗの検知信号に基づき現在のコイル温度を検出し、検出した現在のコイル温度を、上限値演算用不揮発メモリ上のコイル温度データと照合して、現在のコイル温度に対応付けられるコイル温度データを検索する。そして、検索により見つかったコイル温度データに対し、さらに、上限値演算用不揮発メモリ上で該コイル温度データに対応付けられているコイル電流データを検索する。
【００５０】
次に、検索により見つかったコイル電流データに係るコイル電流を上限値Ｉlimitにする。なお、上限値演算用不揮発メモリに記憶されている特性データのコイル温度は離散値であるので、温度センサ６ｕ，６ｖ，６ｗの検知信号に基づき検出したコイル温度に完全に一致するものがない場合がある。そのような場合には、補間法を用いて、現在のコイル温度に対応する上限値Ｉlimitを算出する。
【００５１】
第１例では、上限値Ｉlimitの算出が単純となり、算出に要する時間を短縮することができる。なお、算出を単純化した分、算出精度が低下するが、算出精度の低下は、所定時間ｔyを短くして、上限値Ｉlimitの更新間隔を短くすること等により補償することができる。したがって、したがって、現在から所定時間ｔx後のコイル温度Ｔがコイルの上限温度Ｔlimitを上回ることはない。
【００５２】
［第２例］
上限値Ｉlimitを所定のシミュレーションにより算出する。最初に、現在のコイル電流を仮の上限値Ｉtに設定し、現在から一定時間Δｔ（Δｔ＜所定時間ｔx）が経過するごとに仮の上限値Ｉtによってコイル温度がどのように変化していき、所定時間ｔx後のコイル温度を予想コイル温度として求める。なお、この一定時間Δｔは、上限値Ｉlimitを算出する際の予想コイル温度を算出する際に使用する時間区分であり、前述の所定時間ｔyとは異なるものである。
【００５３】
具体的には、式（ｅ１１）〜（ｅ１３）を使って、Δｔ後のコイル温度を算出する。具体的には、第１段階として、ＴにΔｔの開始時のコイル温度（初回は現在のコイル温度）を代入して、式（ｅ１１）及び（ｅ１２）からＲ及びＷを求める。なお、Ｔbodyは所定時間ｔx中、不変と仮定する。
【００５４】
第２段階として、式（ｅ１３）のＴlimitをΔｔの終了時のコイル温度（未知数）のｘとし、Ｉlimitに仮の上限値Ｉtを代入し、式（ｅ１１）及び（ｅ１２）から求めたＲ及びＷを式（ｅ１３）に代入して、未知数ｘを解く。ｘの解をΔｔの開始時のコイル温度にして、再び第１及び第２段階を繰り返す。
【００５５】
こうして、現在からΔｔ経過ごとのコイル温度を順番に求めていき、時間Δｔの積算量が所定時間ｔxに到達した時のコイル温度としての予想コイル温度が上限温度Ｔlimitを超えているか否かを調べる。もし超えているならば、所定時間ｔx後にコイル温度を上限温度以下に留めるコイル電流の上限値は現在の仮の上限値Ｉtより低い値にしなければならないので、仮の上限値Ｉtを所定量低い値ΔＩに更新するとともに（Ｉt−ΔＩ→Ｉt）、更新後の仮の上限値Ｉtに対して、コイル温度を現在のコイル温度にして現在から所定時間ｔx後の予想コイル温度を求める算出処理を繰り返す。
【００５６】
こうして、繰り返される予想コイル温度算出処理で予想コイル温度が初めて上限温度以下になったときの予想コイル温度算出処理における仮の上限値Ｉtを上限値Ｉlimitに定める。
【００５７】
図５は、上限電流算出部１５が算出した上限値に対するベクトル処理部１６の処理を説明する図である。ベクトル処理部１６はＤ−Ｑ座標上で所定のベクトル演算を実施する。図５には、Ｕ，Ｖ，Ｗ相に対応するＵ，Ｖ，Ｗ軸が記載されているが、Ｕ，Ｖ，Ｗ軸の原点周りの角度間隔は電気角で１２０°間隔になっている。図５では、また、Ｄ，Ｑ軸は、Ｕ，Ｖ，Ｗ軸のいずれとも一致していないが、Ｄ，Ｑ軸とＵ，Ｖ，Ｗ軸との相対角は任意に設定することができる。
【００５８】
図５の処理では、ＤＣブラシレスモータ２の各相コイルは任意の時刻に相互に同一の状態にあることを想定している。したがって、ＤＣブラシレスモータ２の３つの相コイルの中から任意の１つの相コイルを選択して、他の相コイルについての演算は省略する。図５の処理では、Ｖ相の相コイルが選択されている。
【００５９】
図５の説明に先立ち、次の式（ｅ２１）〜（ｅ２４）について説明する。式（ｅ２１）及び式（ｅ２２）は上限電流算出部１５が使用し、式（ｅ２３）及び式（ｅ２４）はベクトル処理部１６が使用する。これらの式では、ＤＣブラシレスモータ２の各相コイルは温度環境について相互に同一状態を保持して変化していることを想定している。したがって、これらの式からＶ相のみについて算出された値は他の相にも適用する。これらの式の記号に付けられている添え字のＶは該記号がＶ相のものであることを示している。
【００６０】
【数２】
【００６１】
式（ｅ２１）は前述の式（ｅ１４）をＶ相について適用したものである。式（ｅ２２）では、式（ｅ２１）により算出したＶ相の上限値が上限値Ｉr_limitに代入される。上限値Ｉr_limitは、後述の式（ｅ３４），（ｅ３５）にも使用されるものであり、プログラムの汎用化上、設定する単なる変数である。式（ｅ２３）では、Ｄ−Ｑ座標上で処理するために、Ｉr_limitに√３を掛けて、Ｉdq_limitが算出される。式（ｅ２４）については後述する。
【００６２】
ベクトル処理部１６は、トルク・速度制御部１２からＤＣブラシレスモータ２の目標回転速度及び目標トルクの情報を受ける。目標ベクトルＡは、Ｄ−Ｑ座標の原点を基点として、ＤＣブラシレスモータ２の目標回転速度に対応する回転速度で原点の周りに回転する。なお、ＤＣブラシレスモータ２の目標回転速度と、Ｄ−Ｑ座標上の目標ベクトルＡの回転速度との関係は、ＤＣブラシレスモータ２の極数に関係する。ＤＣブラシレスモータ２の同一の目標回転速度に対し、ＤＣブラシレスモータ２の極数が大きいほど、Ｄ−Ｑ座標上の目標ベクトルの回転速度は増大する。目標ベクトルＡの長さは目標トルクに対応する。
【００６３】
図５では円Ｐcが設定されている。円Ｐcは、中心が原点にあり、半径がＩdq_limitの長さとなっている。該円Ｐcはコイル電流の上限値を規定する。目標ベクトルＡは、その先端位置が該円Ｐcの内側に含まれるときは、すなわち、｜（Ｉd_cmd，Ｉq_cmd）｜≦Ｉdq_limitであるときは、補正ベクトルＢ（Ｉ’d_cmd，Ｉ’q_cmd）＝目標ベクトルＡ（Ｉd_cmd，Ｉq_cmd）とされる。
【００６４】
これに対し、目標ベクトルＡは、その先端位置が該円Ｐcより外側にあるときは、すなわち、｜（Ｉd_cmd，Ｉq_cmd）｜＞Ｉdq_limitであるときは、補正ベクトルＢに補正される。補正ベクトルＢ（Ｉ’d_cmd，Ｉ’q_cmd）は、目標ベクトルの向きを維持しつつ、長さだけをＩdq_limitに変更したものである。式（ｅ２４）は、｜（Ｉd_cmd，Ｉq_cmd）｜＞Ｉdq_limitであるときの補正ベクトルＢの算出式である。
【００６５】
ベクトル処理部１６は、補正ベクトルＢの情報を相電流変換部１７へ出力する。相電流変換部１７は、各時点の補正ベクトルＢに対応するＵ，Ｖ，Ｗ相の相電流を算出し、その相電流に係る情報をインバータ３及び上限電流算出部１５へ出力する。Ｕ，Ｖ，Ｗ相の相電流は位相が１２０°ずつずれているとともに、各時点の総和は０となっているので、各時点の補正ベクトルＢからＵ，Ｖ，Ｗ相の各時点の相電流の大きさ及び位相が一義に決まる。
【００６６】
こうして、インバータ３からＤＣブラシレスモータ２への各相電流は、上限電流算出部１５が算出した上限値以下のものになる。この結果、ＤＣブラシレスモータ２の各相コイルの温度は、現在から所定時間ｔx経過後において上限温度Ｔlimit以下に留まる。
【００６７】
なお、この例では、補正ベクトルＢの長さは相電流の実効値に対応しているので、各時点の相電流を算出する際には、実効値（補正ベクトルＢの長さ）に√２を掛けて、振幅（波高値）に変換してから、該振幅に対して位相に係る係数を掛けて、各相電流を算出する。
【００６８】
図６は相間で温度状況に差異が考えられるときのベクトル処理部１６による補正ベクトルの算出方式を示している。図６の説明に先立ち、次の式（ｅ３１）〜（ｅ３６）について説明する。
【００６９】
【数３】
【００７０】
式（ｅ３１）〜（ｅ３３）は前述の式（ｅ２１）に対応する。式（ｅ２１）では、３相の使用状態が同一であるため、その中の代表としてＶ相のみについて計算していたが、式（ｅ３１）〜（ｅ３３）ではＵ，Ｖ，Ｗの各相についてそれぞれ上限値Ｉur_limit，Ｉvr_limit，Ｉwr_limitを算出する。なお、（ｅ３１）〜（ｅ３４）において、添え字のＵ，Ｖ，Ｗは、それが付けられている記号がそれぞれＵ，Ｖ，Ｗ相のものであることを意味している。
【００７１】
式（ｅ３４），（ｅ３５）は前述の式（ｅ２２），（ｅ２３）に対応する。式（ｅ３４）では、上限値Ｉur_limit，Ｉvr_limit，Ｉwr_limitの内、最小のものをＩr_limitとして選択する。式（ｅ３５）では、Ｄ−Ｑ座標上で処理するために、Ｉr_limitに√３を掛けて、Ｉdq_limitが算出される。こうして、算出されたＩdq_limitは、上限値Ｉur_limit，Ｉvr_limit，Ｉwr_limitの内、最小のものに対応した大きさとなる。
【００７２】
図６に戻る。図６（ａ）〜（ｃ）は、Ｉur_limit，Ｉvr_limit，Ｉwr_limitの３つの内の最小のものに対応付けて円Ｐcを設定している。円Ｐcは、中心をＤ−Ｑ座標の原点にし、半径はＩur_limit，Ｉvr_limit，Ｉwr_limitの３つの内の最小のものに√３を掛けた値になっている。
【００７３】
図６（ａ）では、Ｉur_limit＝Ｉvr_limit＝Ｉwr_limit＝Ｉdq_limit／√３となっている。図６（ｂ）では、Ｉur_limit，Ｉvr_limit，Ｉwr_limitの３つの内、最小はＩwr_limitであり、Ｉwr_limit＝Ｉdq_limit／√３となっている。図６（ｃ）では、Ｉur_limit，Ｉvr_limit，Ｉwr_limitの３つの内、最小はＩvr_limitであり、Ｉvr_limit＝Ｉdq_limit／√３となっている。
【００７４】
式（ｅ３６）は、補正ベクトルＢの長さの算出式となっている。目標ベクトルＡの長さはＡの先端位置のＤ−Ｑ座標から求められる。｜（Ｉd_cmd，Ｉq_cmd）｜＞Ｉdq_limitならば、すなわち｜Ａ｜＞｜Ｂ｜の場合には、向きは変更せず、長さは円Ｐcの半径に縮小した補正ベクトルＢに変更される（Ｂ＝（Ａ／｜Ａ｜）・Ｉdq_limit）。｜（Ｉd_cmd，Ｉq_cmd）｜≦Ｉdq_limitならば、Ａ＝Ｂとなる。
【００７５】
ベクトル処理部１６は、図６に係る処理から求めた補正ベクトルＢの情報を相電流変換部１７へ出力する。相電流変換部１７は、各時点の補正ベクトルＢからＵ，Ｖ，Ｗ相の相電流を算出し、その相電流に係る情報をインバータ３及び上限電流算出部１５へ出力する。
【００７６】
Ｄ−Ｑ座標上に設定する円Ｐcを、上限値Ｉur_limit，Ｉvr_limit，Ｉwr_limitの内、最小のものに対応付けて設定する結果、相電流変換部１７が補正ベクトルＢを変換して算出するＵ，Ｖ，Ｗ相の相電流はいずれもそれぞれ上限値Ｉur_limit，Ｉvr_limit，Ｉwr_limit以下になる。これにより、いずれの相コイルのコイル温度も所定時間ｔx後にＴlimitを上回ることが回避される。
【００７７】
図７は各相コイルごとに使用状況が相違しているときのベクトル処理部１６による補正ベクトルの別の算出方式を示している。図６の算出方式ではＤ−Ｑ座標において円Ｐcが使用されているが、図７の算出方式では、多角形Ｐsが使用される。図７では、また、Ｄ−Ｑ座標のＱ軸はＵ軸と一致させているが、Ｄ，Ｑ軸とＵ，Ｖ，Ｗ軸との相対角は任意に設定することができる。
【００７８】
多角形Ｐsは、図８で後述するように、６角形又は４角形となる。図８では、Ｐsは６つの辺ｐ1〜ｐ6から成る。対辺同士（ｐ1，ｐ4），（ｐ2，ｐ5），（ｐ3，ｐ6）は、相互に平行になっている。また、（ｐ1，ｐ4），（ｐ2，ｐ5），（ｐ3，ｐ6）はそれぞれＵ，Ｖ，Ｗ軸に直角になっている。
【００７９】
（ｐ1，ｐ4）の距離、（ｐ2，ｐ5）の距離及び（ｐ3，ｐ6）の距離は、典型的には、それぞれ式（ｅ３１）、（ｅ３２）及び（ｅ３３）で算出したＩur_limit、Ｉvr_limit及びＩwr_limitの√２（＝２／√２）倍であるが、それぞＩur_limit、Ｉvr_limit及びＩwr_limitの最大２倍まで可能である。Ｉur_limit、Ｉvr_limit及びＩwr_limitの√２とする理由については、後述の図９におけるｋを、ＤＣブラシレスモータ２の回転停止時に１／√２（√２は１／√２の２倍に相当）とする理由と同じである。すなわち、多角形Ｐsの設定は、本来的にはＤＣブラシレスモータ２の回転停止時に対処しようとするものだからである。
【００８０】
図７の（Ｉd_cmd，Ｉq_cmd），（Ｉ’d_cmd，Ｉ’q_cmd）は、図５の（Ｉd_cmd，Ｉq_cmd），（Ｉ’d_cmd，Ｉ’q_cmd）の場合と同様に、目標ベクトルＡ及び補正ベクトルＢの先端位置のＤ−Ｑ座標である。
【００８１】
多角形Ｐsはコイル電流の上限値を規定する。目標ベクトルＡが該多角形Ｐsより外側にあるときは、すなわち、｜Ａ｜＞｜Ｂ｜であるときは、目標ベクトルＡは、その先端が該多角形Ｐsの辺上になる補正ベクトルＢに補正される。｜Ａ｜≦｜Ｂ｜であるときは、目標ベクトルＡがそのまま補正ベクトルＢになる。円Ｐｃについての目標ベクトルＡから補正ベクトルＢへの前述の補正式（ｅ３６）は、多角形Ｐｓについてもそのまま適用することができる。
【００８２】
多角形Ｐｓを使用する場合も、円Ｐｃを使用する場合と同様に、ベクトル処理部１６は、補正ベクトルＢの情報を相電流変換部１７へ出力する。相電流変換部１７は、各時点の補正ベクトルＢに対応するＵ，Ｖ，Ｗ相の相電流を算出し、その相電流に係る情報をインバータ３及び上限電流算出部１５へ出力する。Ｕ，Ｖ，Ｗ相の相電流は位相が１２０°ずつずれているとともに、各時点の総和は０となっており、各時点の補正ベクトルＢからＵ，Ｖ，Ｗ相の各時点の相電流の大きさ及び位相が一義に決まる。
【００８３】
なお、補正ベクトルＢの長さは相電流の実効値に対応しているので、各時点の相電流を算出する際には、実効値に√２を掛けた振幅（波高値）を基に各時点の相電流の大きさを決める。
【００８４】
図８は各相の上限値の相対関係により決まる種々の多角形を示している。図８（ａ）の場合では、Ｕ，Ｖ，Ｗ相のＤ−Ｑ座標Ｉur_limit，Ｉvr_limit，Ｉwr_limitは共に等しくなっている。この場合、多角形Ｐsは正六角形になる。
【００８５】
図８（ｂ）の場合では、Ｕ，Ｖ，Ｗ相のＤ−Ｑ座標Ｉur_limit，Ｉvr_limit，Ｉwr_limitは、Ｉur_limit＞Ｉvr_limit＞Ｉwr_limitでかつＩwr_limit・ｓｉｎ６０°≦Ｉvr_limit＋Ｉur_limit・ｔａｎ３０°である関係になっている。この場合、多角形ＰsはＵ軸方向の幅＞Ｖ軸方向の幅＞Ｗ軸方向の幅となる六角形になる。
【００８６】
図８（ｃ）の場合では、Ｕ，Ｖ，Ｗ相のＤ−Ｑ座標Ｉur_limit，Ｉvr_limit，Ｉwr_limitは、Ｉwr_limit＞Ｉur_limit＞Ｉvr_limitでかつＩwr_limit・ｓｉｎ６０°＞Ｉvr_limit＋Ｉur_limit・ｔａｎ３０°である関係になっている。この場合、多角形ＰsはＵ軸方向の幅＞Ｖ軸方向の幅となる平行四辺形になる。
【００８７】
図５及び図６の円Ｐｃによる電流制限方式では、相に関係なく、コイル電流のの上限値が一律に、３相の上限値の内の最小のものに設定されているのに対し、図７及び図８の多角形Ｐｓによる電流制御方式では、温度上昇に余裕のある相では、ない相に比して上限値が大きく設定することができる。この結果、ＤＣブラシレスモータ２の出力トルクを改善することができる。
【００８８】
また、モータでは、高速回転時では、変動の少ない回転が望まれ、低速回転時では、高出力トルクの回転が望まれる。高速回転時では、図５及び図６の円Ｐｃによる電流制限方式を選択し、低速回転時では、図７及び図８の多角形Ｐｓによる電流制御方式を選択することもできる。
【００８９】
図９は上限値をＤＣブラシレスモータ２の回転速度に応じて変更する場合のＤ−Ｑ座標上の円Ｐcの変化を示している。図９では、円Ｐcの半径は、図５の円Ｐcの半径に係数ｋを掛けた値に設定される。
【００９０】
図９（ａ）は標準半径の円Ｐcに対して係数ｋが１の場合の円Ｐcとｋが１／（√２）の場合の円Ｐcとを対比して示している。図９（ｂ）は電気角θの微分値（θの頭部にドットを付けて表している。明細書では、「θ・」と右肩にドットを付ける。）の絶対値と係数ｋとの関係を示している。
【００９１】
図９の方式を採用した場合の算出式は次の式（ｅ４１）〜（ｅ４７）となる。式（ｅ４１）〜（ｅ４３）はそれぞれ式（ｅ３１）〜（ｅ３３）に代えて用いられる。式（ｅ４１）〜（ｅ４３）におけるｋは、図９（ｂ）のグラフに従う式（ｅ４４）から算出される。式（ｅ４５）〜（ｅ４７）は式（ｅ３４）〜（ｅ３６）と同一である。
【００９２】
【数４】
【００９３】
図９の方式を用いた場合、ＤＣブラシレスモータ２は、停止へ向かう減速中、特に｜θ・｜＜θthresh｜では、ｋは１／（√２）へ漸減することになるので、ＤＣブラシレスモータ２は緩やかに回転停止することになる。
【００９４】
なお、相コイルの上限値はｋ＝１において所定時間ｔx後のコイル温度≦Ｔlimitを満たすように設定されるので、１／√２≦ｋ＜１の範囲では、相コイルの温度は、所定時間ｔx後のコイル温度≦Ｔlimitの条件を当然に満たす。
【００９５】
以上、ＤＣブラシレスモータ２、すなわち三相モータにおいてコイル温度が上限保証温度を超えないように制御するモータ制御装置１について、説明しているが、本発明のモータ制御装置は、モータコイルを含むモータであれば、交流の単相モータ及びブラシ型の直流モータにも適用可能である。単相モータ（誘導モータ）に適用したモータ制御装置では、図１のモータ制御装置１において、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３相の内の１つのコイル温度制御に関わる素子及び処理部のみを残して、他の２つの相のコイル温度制御に関わる素子を省略すればよい。
【００９６】
例えば、前述の［数１］の式（ｅ１１）〜（ｅ１４）では、ＤＣブラシレスモータ２のどの相コイルの温度環境も同一とみなして、Ｖ相のみについて上限値Ｉlimitを計算しているが、本発明のモータ制御装置を交流の単相モータ及びブラシ型の直流モータに適用する場合には、ＤＣブラシレスモータ２にＶ相のみしか存在しないと考えて、制御処理することができる。
【００９７】
本発明のモータ制御装置を交流の単相モータに適用する場合を先に説明すると、上限電流決定手段としての上限電流算出部１５は、Ｖ相の各パラメータを単相交流モータの単相交流のパラメータに置き換えて、単相交流モータの上限値Ｉlimitを計算するようにする。上限電流算出部１５が算出した、単相交流モータの上限値Ｉlimitは、単相交流モータへの入力電流を補正するコイル電流制御手段（該コイル電流制御手段は、ベクトル処理部１６に相当するものは含まない。）へ出力し、該コイル電流制御手段が、単相交流モータへ供給する単相交流の単相コイル電流が該上限値以下に制限する。
【００９８】
また、ベクトル処理部１６をそのまま単相交流モータのモータ制御装置にも使用することも可能である。その場合は、コイル電流制御手段に１素子として含まれるベクトル処理部１６は、ＤＣブラシレスモータ２の場合と同様に、図５で説明したように、目標ベクトルＡを算出し、目標ベクトルＡから、単相交流モータの上限値Ｉlimit以下に制限された補正ベクトルＢを生成し、相電流変換部１７は、例えばＶ相を単相交流モータの単相に当て嵌めて、単相交流モータの単相コイル電流をＶ相のコイル電流とみなして、補正ベクトルＢから単相交流モータのコイル電流を算出する。
【００９９】
本発明のモータ制御装置をブラシ型の直流モータに適用する場合には、上限電流決定手段が前述の式（ｅ１４）から求めた上限値Ｉlimitに対し、コイル電流制御手段が、直流モータの直流給電電流が上限値Ｉlimit以下になるように、制御する。すなわち、直流モータの目標給電電流が上限値Ｉlimitより大である場合には、上限値Ｉlimitに又はそれより小に補正して得られる直流電流を直流モータに供給する。
【０１００】
図１０及び図１１はモータ制御装置１を搭載する歩行補助装置５０の構成図である。図１のＤＣブラシレスモータ２は、脚リンク５３の第３関節（膝関節）５８の屈曲角度を調整するアクチュエータ５９内に駆動源として配備される。また、図１のバッテリ１０は、ＤＣブラシレスモータ２及びそのモータ制御装置１を含む、歩行補助装置５０に装備されるすべての電装品の電源として、大腿フレーム５５内に配備されている（図１１）。
【０１０１】
図１０において、歩行補助装置５０は、持上げ力伝達部としての着座部５１と、利用者の各脚の足平に装着される左右一対の足平装着部５２，５２と、各足平装着部５２，５２を着座部５１にそれぞれ連結する左右一対の脚リンク５３，５３とを備えている。左右の足平装着部５２，５２は互いに左右対称の同一構造である。左右の脚リンク５３，５３も互いに左右対称の同一構造である。
【０１０２】
各脚リンク５３は、着座部５１から第１関節５４を介して下側に延設された大腿フレーム５５と、各足平装着部５２から第２関節５６を介して上側に延設された下腿フレーム５７と、大腿フレーム５５と下腿フレーム５７とを、第１関節５４と第２関節５６との中間で屈伸自在に連結する第３関節５８とから構成されている。
【０１０３】
さらに、歩行補助装置５０は、各脚リンク５３ごとに、第３関節５８を駆動するための駆動力を発生するアクチュエータ５９と、このアクチュエータ５９の駆動力を第３関節５８に伝達して、該第３関節５８にその関節軸まわりの駆動トルクを付与する動力伝達機構６０とを備えている。
【０１０４】
着座部５１は、利用者が跨ぐようにして（利用者の両脚の付け根の間に配置するようにして）着座するサドル状のシート部５１ａと、シート部５１ａの下面に装着された支持フレーム５１ｂと、支持フレーム５１ｂの後端部（シート部５１ａの後側で上方に立ち上がる立ち上がり部分）に取り付けた腰当て部５１ｃとから構成されている。また、腰当て部５１ｃには、利用者または補助者が把持可能なアーチ状の把持部５１ｄが取り付けられている。
【０１０５】
持上げ力伝達部はサドル状のシート部５１ａを有する着座部５１により構成したが、ハーネス状の可撓性部材（例：特開２００７−５４６１６号公報の図１６）により持上げ力伝達部を構成してもよい。持上げ力伝達部は、利用者の体幹部に上向きの持上げ力を作用させるために、両脚の付け根の間で利用者に接する部分を備えることが好ましい。
【０１０６】
各脚リンク５３の第１関節５４は、前後方向および左右方向の２つの関節軸まわりの回転自由度（２自由度）を有する関節である。さらに詳細には、各第１関節５４は、着座部５１に連結された円弧状のガイドレール６１を備えている。そして、このガイドレール６１に、各脚リンク５３の大腿フレーム５５の上端部に固定されたスライダ６２が、該スライダ６２に軸着した複数のローラ６３を介して移動自在に係合されている。このため、各脚リンク５３は、ガイドレール６１の曲率中心を通る左右方向の軸（より詳しくはガイドレール６１の円弧を含む平面に垂直な方向の軸）を第１関節５４の第１の関節軸として、該第１の関節軸のまわりに前後方向の揺動運動（前後の振り出し運動）を行うことが可能となっている。
【０１０７】
また、ガイドレール６１は、着座部５１の支持フレーム５１ｂの後端部（立ち上がり部分）に、軸心を前後方向に向けた支軸（図示せず）を介して軸支され、該支軸５４ｂの軸心まわりに揺動可能とされている。これにより、各脚リンク５３は、支軸５４ｂの軸心を第１関節５４の第２の関節軸として、該第２の関節軸のまわりに左右方向の揺動運動、すなわち、内転・外転運動を行うことが可能となっている。この例では、左右の第１関節５４（図１０には左の第１関節５４のみ図示）の第２の関節軸は、左右の第１関節５４で共通の関節軸となっている。
【０１０８】
上記のように第１関節５４は、各脚リンク５３が、前後方向および左右方向の２つの関節軸まわりの揺動運動を行うことが可能となるように構成されている。
【０１０９】
各足平装着部５２は、利用者の各足平に履かせる靴５２ａと、靴５２ａ内から上方に突出する連結部材５２ｂとを備え、利用者の各脚が立脚（支持脚）となる状態で、靴５２ａを介して接地する。そして、連結部材５２ｂに各脚リンク５３の下腿フレーム５７の下端部が第２関節５６を介して連結されている。
【０１１０】
第３関節５８は、左右方向の１軸まわりの回転自由度を有する関節であり、大腿フレーム５５の下端部に下腿フレーム５７の上端部を軸支する支軸５８ａを有する。該支軸５８ａの軸心は、第１関節５４の第１の関節軸（ガイドレール６１の円弧を含む平面に垂直な方向の軸）とほぼ平行である。そして、この支軸５８ａの軸心が第３関節５８の関節軸となっており、その関節軸のまわりに、下腿フレーム５７が大腿フレーム５５に対して相対回転可能とされている。これにより、該第３関節５８での脚リンク５３の屈伸運動が可能となっている。
【０１１１】
各脚リンク５３ごとのアクチュエータ５９は、減速機６４付きのＤＣブラシレスモータ２により構成された回転アクチュエータである。この回転アクチュエータ５９は、その出力軸５９ａの軸心が第３関節５８の関節軸（支軸５８ａの軸心）と平行になるように、大腿フレーム５５の上端部（第１関節５４寄りの部分）の外面に搭載され、該回転アクチュエータ５９のハウジング（ＤＣブラシレスモータ２の固定子に固定されている部分）が大腿フレーム５５に固設されている。
【０１１２】
主に図１１において、各動力伝達機構６０は、回転アクチュエータ５９の出力軸５９ａに同心に固定された駆動クランクアーム６６と、第３関節５８の関節軸と同心に下腿フレーム５７に固定された従動クランクアーム６７と、一端と他端とをそれぞれ駆動クランクアーム６６、従動クランクアーム６７に枢着した連結ロッド６８とから構成されている。該連結ロッド６８は、駆動クランクアーム６６に対する枢着部６８ａと、従動クランクアーム６７に対する枢着部６８ｂとの間で直線状に延在している。
【０１１３】
ＤＣブラシレスモータ２の運転によって回転アクチュエータ５９の出力軸５９ａから出力される駆動力（出力トルク）は、該出力軸５９ａから駆動クランクアーム６６を介して連結ロッド６８の長手方向の並進力に変換され、その並進力（ロッド伝達力）が連結ロッド６８をその長手方向に伝達する。さらに、該並進力が連結ロッド６８から従動クランクアーム６７を介して駆動トルクに変換され、その駆動トルクが、第３関節５８の関節軸まわりに脚リンク５３を屈伸させる駆動力として該第３関節５８に付与される。
【０１１４】
各脚リンク５３の大腿フレーム５５および下腿フレーム５７のそれぞれの長さの総和は、利用者の脚を直線状に伸展させた状態での該脚の長さよりも長いものとなっている。このため、各脚リンク５３は、第３関節５８で常時、屈曲する。その屈曲角度は、利用者の平地での通常歩行時には、例えば約４０°〜７０°の範囲の角度となる。
【０１１５】
バッテリ１０は、大腿フレーム５５において、連結ロッド６８とガイドレール６１との間に配置される。カバー７０は、大腿フレーム５５に取り付けられて、バッテリ１０を覆う。バッテリ１０は、歩行補助装置５０に装備されるすべての電装品に電力を供給する。
【０１１６】
前述したように、回転アクチュエータ５９のＤＣブラシレスモータ２の回転動力は、動力伝達機構６０を介して膝関節としての第３関節５８の屈曲角度の調整に使用される。第３関節５８は、屈曲角度を変更する時は回転のために、ＤＣブラシレスモータ２の回転動力を必要とするが、屈曲角度を一定に維持する時も、利用者の体重等を支持するために所定のトルクを出力する必要がある。したがって、ＤＣブラシレスモータ２は、利用者が着座部５１に着座して、第３関節５８に重量がかかっている期間では、第３関節５８の運動中及び停止中に関係なく、常時、バッテリ１０から給電を受ける必要がある。
【０１１７】
ＤＣブラシレスモータ２の各相コイルに必要とされる相電流は、第３関節５８の静止中の屈曲角度に関係し、該静止中の屈曲角度によって相電流が３相間で不均衡になることが頻繁に生じる。歩行補助装置５０では、また、ユーザか立ち止まりと歩行とを頻繁に繰り返すので、ＤＣブラシレスモータ２と出力軸５９ａとの間には、減速機６４が介在するものの、ＤＣブラシレスモータ２の回転速度は、低速から高速の広い範囲にわたり変化する。
【０１１８】
モータ制御装置１は、歩行補助装置５０におけるＤＣブラシレスモータ２についてのこのような使用環境に対して、前述のように、各相のコイル電流の上限値を算出して、各相のコイル電流を制御して、コイル温度が上限の保証温度以下に留まるように、適切に制御する。
【０１１９】
本発明を実施形態について説明したが、本発明はその要旨の範囲内で種々に変形して実施することができる。
【符号の説明】
【０１２０】
１・・・モータ制御装置、２・・・ＤＣブラシレスモータ（三相モータ）、６ｕ，６ｖ，６ｗ・・・温度センサ（コイル温度検出手段）、１５・・・上限電流算出部（上限電流決定手段）、１６・・・ベクトル処理部（コイル電流制御手段）、１７・・・相電流変換部（コイル電流制御手段）、５０・・・歩行補助装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータのコイル温度を検出するコイル温度検出手段と、
現在から第１の所定時間の経過後のコイル温度を上限温度以下に留まらせるコイル電流の上限値を、前記第１の所定時間より短い第２の所定時間が経過するごとに、前記コイル温度検出手段により検出されたコイル温度を用いて決定する上限電流決定手段と、
コイル電流が前記上限値以下になるように該コイル電流を制御するコイル電流制御手段と
を備えることを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
請求項１記載のモータ制御装置において、
前記上限電流決定手段は、前記コイル温度としての現在のコイル温度を用いるとともに、前記上限温度と前記第１の所定時間とを用いて前記コイル電流の上限値を決定することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載のモータ制御装置において、
前記モータは三相モータであり、
前記コイル温度検出手段は、前記三相モータの相別にコイル温度を検出するものであり、
前記上限電流決定手段は、相別コイル温度に基づいて相別に上限値を決定し、
前記コイル電流制御手段は、各相別コイル電流が各相別上限値以下になるように各相別コイル電流を制御することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項４】
請求項３記載のモータ制御装置において、
前記コイル電流制御手段は、前記上限電流決定手段が相別に決定した３つの相別上限値に対し、３つの相別コイル電流を１つのベクトルで表現するＤ−Ｑ座標において、原点を中心とし前記３つの相別上限値の内の最小の相別上限値に対応する半径を有する円を設定し、
前記モータに対する要求トルクに対応する長さを有し、前記モータの回転に同期して原点の周りに回転する目標ベクトルについて、その先端が前記円の外に位置しているときは、該先端が前記円内に含まれるように前記目標ベクトルの長さを補正し、
該長さを補正した目標ベクトルに基づいて各相別コイル電流を制御することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項５】
請求項３記載のモータ制御装置において、
前記コイル電流制御手段は、前記上限電流決定手段が相別に決定した３つの相別上限値に対し、３つの相別コイル電流を１つのベクトルにより表現するＤ−Ｑ座標において、対辺が相互に平行で各対辺間の距離が対応する相別上限値の２倍以下に相当する長さである多角形を設定し、
前記モータに対する要求トルクに対応する長さを有し、前記モータの回転に同期して原点の周りに回転する目標ベクトルについて、その先端が前記多角形外に位置しているときは、該先端が前記多角形内に含まれるように前記目標ベクトルの長さを補正し、
該長さを補正した目標ベクトルに基づいて各相別コイル電流を制御することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項６】
請求項３記載のモータ制御装置において、
前記コイル電流制御手段は、前記上限電流決定手段が相別に決定した３つの相別上限値に対し、３つの相別コイル電流を１つのベクトルにより表現するＤ−Ｑ座標において、原点を中心とし前記３つの相別上限値の内の最小の相別上限値に対応する半径を有する円と、対辺が相互に平行で対辺間の距離が対応する相別上限値の絶対値の２倍以下に相当する長さである多角形とを設定し、
前記モータに対する要求トルクに対応する長さを有し、前記モータの回転に同期して原点の周りに回転する目標ベクトルについて、
前記三相モータの回転速度が所定値以上である期間に、前記目標ベクトルの先端が前記円の外に位置しているときは、該先端が前記円内に含まれるように前記目標ベクトルの長さを補正し、
前記三相モータの回転速度が前記所定値未満である期間に、前記目標ベクトルの先端が前記多角形の外に位置しているときは、該先端が前記多角形内に含まれるように前記目標ベクトルの長さを補正し、
前記補正後の目標ベクトルに基づいて各相別コイル電流を制御することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のモータ制御装置と、
大腿フレームと下腿フレームとを枢支する関節と、
前記モータ制御装置により制御されるモータを含み該モータの駆動力により前記関節を駆動して前記大腿フレームと前記下腿フレームとの相互角を制御するアクチュエータと
を備えることを特徴とする歩行補助装置。
【請求項８】
モータのコイル温度を検出するコイル温度検出ステップと、
現在から第１の所定時間経過後のコイル温度を上限温度以下に留まらせるコイル電流の上限値を、前記第１の所定時間より短い第２の所定時間が経過するごとに、前記コイル温度検出ステップで検出されたコイル温度を用いて決定する上限電流決定ステップと、
コイル電流が前記上限値以下になるように該コイル電流を制御するコイル電流制御ステップと
を備えることを特徴とするモータ制御方法。
【請求項１】
モータのコイル温度を検出するコイル温度検出手段と、
現在から第１の所定時間の経過後のコイル温度を上限温度以下に留まらせるコイル電流の上限値を、前記第１の所定時間より短い第２の所定時間が経過するごとに、前記コイル温度検出手段により検出されたコイル温度を用いて決定する上限電流決定手段と、
コイル電流が前記上限値以下になるように該コイル電流を制御するコイル電流制御手段と
を備えることを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
請求項１記載のモータ制御装置において、
前記上限電流決定手段は、前記コイル温度としての現在のコイル温度を用いるとともに、前記上限温度と前記第１の所定時間とを用いて前記コイル電流の上限値を決定することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載のモータ制御装置において、
前記モータは三相モータであり、
前記コイル温度検出手段は、前記三相モータの相別にコイル温度を検出するものであり、
前記上限電流決定手段は、相別コイル温度に基づいて相別に上限値を決定し、
前記コイル電流制御手段は、各相別コイル電流が各相別上限値以下になるように各相別コイル電流を制御することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項４】
請求項３記載のモータ制御装置において、
前記コイル電流制御手段は、前記上限電流決定手段が相別に決定した３つの相別上限値に対し、３つの相別コイル電流を１つのベクトルで表現するＤ−Ｑ座標において、原点を中心とし前記３つの相別上限値の内の最小の相別上限値に対応する半径を有する円を設定し、
前記モータに対する要求トルクに対応する長さを有し、前記モータの回転に同期して原点の周りに回転する目標ベクトルについて、その先端が前記円の外に位置しているときは、該先端が前記円内に含まれるように前記目標ベクトルの長さを補正し、
該長さを補正した目標ベクトルに基づいて各相別コイル電流を制御することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項５】
請求項３記載のモータ制御装置において、
前記コイル電流制御手段は、前記上限電流決定手段が相別に決定した３つの相別上限値に対し、３つの相別コイル電流を１つのベクトルにより表現するＤ−Ｑ座標において、対辺が相互に平行で各対辺間の距離が対応する相別上限値の２倍以下に相当する長さである多角形を設定し、
前記モータに対する要求トルクに対応する長さを有し、前記モータの回転に同期して原点の周りに回転する目標ベクトルについて、その先端が前記多角形外に位置しているときは、該先端が前記多角形内に含まれるように前記目標ベクトルの長さを補正し、
該長さを補正した目標ベクトルに基づいて各相別コイル電流を制御することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項６】
請求項３記載のモータ制御装置において、
前記コイル電流制御手段は、前記上限電流決定手段が相別に決定した３つの相別上限値に対し、３つの相別コイル電流を１つのベクトルにより表現するＤ−Ｑ座標において、原点を中心とし前記３つの相別上限値の内の最小の相別上限値に対応する半径を有する円と、対辺が相互に平行で対辺間の距離が対応する相別上限値の絶対値の２倍以下に相当する長さである多角形とを設定し、
前記モータに対する要求トルクに対応する長さを有し、前記モータの回転に同期して原点の周りに回転する目標ベクトルについて、
前記三相モータの回転速度が所定値以上である期間に、前記目標ベクトルの先端が前記円の外に位置しているときは、該先端が前記円内に含まれるように前記目標ベクトルの長さを補正し、
前記三相モータの回転速度が前記所定値未満である期間に、前記目標ベクトルの先端が前記多角形の外に位置しているときは、該先端が前記多角形内に含まれるように前記目標ベクトルの長さを補正し、
前記補正後の目標ベクトルに基づいて各相別コイル電流を制御することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のモータ制御装置と、
大腿フレームと下腿フレームとを枢支する関節と、
前記モータ制御装置により制御されるモータを含み該モータの駆動力により前記関節を駆動して前記大腿フレームと前記下腿フレームとの相互角を制御するアクチュエータと
を備えることを特徴とする歩行補助装置。
【請求項８】
モータのコイル温度を検出するコイル温度検出ステップと、
現在から第１の所定時間経過後のコイル温度を上限温度以下に留まらせるコイル電流の上限値を、前記第１の所定時間より短い第２の所定時間が経過するごとに、前記コイル温度検出ステップで検出されたコイル温度を用いて決定する上限電流決定ステップと、
コイル電流が前記上限値以下になるように該コイル電流を制御するコイル電流制御ステップと
を備えることを特徴とするモータ制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−１０６３８５（Ｐ２０１３−１０６３８５Ａ）
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４６８６５（Ｐ２０１１−２４６８６５）
【出願日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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