ＰＷＭ制御方法
【課題】作動状態は勿論、停止状態から低速で動きだす場合においても、滑らかな制御ができるＰＷＭ制御の制御方法を提供することである。
【解決手段】被駆動体と、当該被駆動体を駆動するモータと、前記モータをＰＷＭ制御するモータ制御手段と、を備え、前記ＰＷＭ制御の１周期の中に、前記被駆動体の共振周波数に対応した周波数のパルス群からなる第１デューティと、前記第１デューティのパルス群の周波数よりも高い周波数のパルス群からなる第２デューティと、を有する。
【解決手段】被駆動体と、当該被駆動体を駆動するモータと、前記モータをＰＷＭ制御するモータ制御手段と、を備え、前記ＰＷＭ制御の１周期の中に、前記被駆動体の共振周波数に対応した周波数のパルス群からなる第１デューティと、前記第１デューティのパルス群の周波数よりも高い周波数のパルス群からなる第２デューティと、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動パワーステアリング装置などに用いられるＰＷＭ制御装置のＰＷＭ制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、モータやコイルなどの誘導系の負荷に対するＰＷＭ（Pulse Width Modulation、パルス幅変調）制御は、前記負荷に流れる電流が連続的になり、その電流のリップル量が許容できる値になる周波数で制御を行っている。例えばモータを用いて自動車等の車両のステアリング機構に操舵補助力を与えて操舵者の操舵補助を行う電動パワーステアリング装置においては、滑らかな操舵性を確保するために比較的高い周波数を前記の制御に用いている。
また、電動パワーステアリング装置のモータは機械的なギアを経由して車輪を操舵している。この機械的な構造においては、作動していない状態では静止摩擦によって摩擦係数が大きく、作動後においては動摩擦によって摩擦係数が小さくなるという物理的な機構を有している。
以上の滑らかな操舵性と操舵時の切り始めでのアシスト不足に対処するために、様々な工夫が必要であり、例えば特許文献１がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１５４９５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の電流制御はリップル（Ripple、脈動）電流が少ないように周波数を選定しているため、作動状態では滑らかであるが、停止状態から微小に動く時には、摩擦係数の大きな（静止摩擦）静止状態から摩擦係数の小さな（動摩擦）動的状態への移行動作となるため、動き出しが唐突になる場合がある。つまり、動いた瞬間から摩擦係数の小さい動摩擦に変わる為、動き出し後に意図していない操舵上の加速が行われてしまう可能性がある。
また、停止状態から作動状態へ移行する際に電動パワーステアリング装置のモータに駆動トルクをかける瞬間は、ＰＷＭ制御の比較的大きいパルス幅を入力するが、前記の機械系に適した駆動周波数はリップル電流が大きい。したがって、ＰＷＭの制御周期において、常に機械系の駆動周波数に合わせると、作動状態においても、大きなリップル電流が常に流れ、振動や、音を発生させる。これは自動車としての商品性を低下させる。
また、特許文献１においても、さらに高度な、滑らかな操舵性と操舵時の切り始めでの強いアシスト力が求められている。
【０００５】
そこで、本発明はこのような問題点を解決するもので、その目的とするところは、作動状態は勿論、停止状態から低速で動きだす場合においても、滑らかな制御ができるＰＷＭ制御の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】
【０００６】
前記の課題を解決して、本発明の目的を達成するために、以下のように構成した。
すなわち、被駆動体と、当該被駆動体を駆動するモータと、前記モータをＰＷＭ制御するモータ制御手段と、を備え、前記ＰＷＭ制御の１周期の中に、前記被駆動体の共振周波数に対応した周波数のパルス群からなる第１デューティと、前記第１デューティのパルス群の周波数よりも高い周波数のパルス群からなる第２デューティと、を有することを特徴とする。
【０００７】
かかる構成により、前記第１デューティの前記被駆動体の共振周波数に対応した周波数のパルス群によって、操舵時の切り始めで充分なアシスト力が発生する。また、被駆動体の動作が静止摩擦から動摩擦に変化した際には、前記第２デューティの高い周波数のパルス群によって、電流のリップルや振動、騒音の少ない滑らかな操舵を行う駆動力が発生する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、作動状態は勿論、停止状態から低速で動きだす場合においても、滑らかな制御ができるＰＷＭ制御の制御方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態のＰＷＭ制御方法と、そのときの電流の制御状態を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態の２重ＰＷＭ信号を形成する方法の一例を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態の２重ＰＷＭ信号を形成する方法を論理回路で実現する回路例を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態のＰＷＭ制御に用いる周波数と、それによって生ずる機械系の振動と音の関係を示す図である。
【図５】本発明の第１実施形態のモータのコイル（ソレノイド）を複合ＰＷＭで制御する回路例を示した図である。
【図６】本発明の第２実施形態において、モータの電流値によって、２重ＰＷＭ信号の第１デューティと第２デューティの割合を変える様子を示した図であり、（ａ）は電流値が５％以下、（ｂ）は５％超〜１０％以下、（ｃ）は１０％超〜１５％未満、（ｄ）は１５％以上の場合を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照して説明する。
【００１１】
(第１実施形態)
図１は、本発明の第１実施形態のＰＷＭ制御方法と、そのときの電流の制御状態を示す図である。
本発明のＰＷＭ制御方法においては、異なる周波数から構成される複数のデューティ（パルス群）を合成して、ＰＷＭ制御を行う。このデューティの数をＮ（Ｎは正の整数）として、Ｎ＝２の場合を２重ＰＷＭと適宜表記する。また一般のＮ（Ｎ≧２、Ｎは整数）に対しては、複合ＰＷＭと適宜表記する。
まず、複合ＰＷＭ、あるいは２重ＰＷＭで用いられる信号である第１デューティ（１１Ａ、１１Ｂ）と第２デューティ（１２Ａ、１２Ｂ）について説明する。
【００１２】
≪２重ＰＷＭ信号の第１デューティと第２デューティについて≫
図１において、第１デューティ（１１Ａ、１１Ｂ）は、モータ（駆動体、不図示）の被駆動体である電動パワーステアリング装置（不図示）の機械系の応答速度に対応した（機械系の共振周波数に近い）低い周波数のパルス群である。
つまり、後記する第２デューティ（１２Ａ、１２Ｂ）のパルス群よりは低い周波数であるので、パルス幅を大きく（広く）できて、トルクを大きくしやすい、云わば、機械系に適した周波数によるパルス群である。
【００１３】
第１デューティ（１１Ａ、１１Ｂ）のパルス群は、第１周波数である周波数５００Ｈｚで連続して発生し、パルス群の各パルス幅は制御回路の指令によって、負荷の電流量を大きくする場合には広く、また負荷の電流量を小さくする場合には狭くなる。
なお、第１デューティ（１１Ａ、１１Ｂ）のパルス群の周波数が、何故に５００Ｈｚが選択されているかについての詳細は後記する。
【００１４】
第２デューティ（１２Ａ、１２Ｂ）は、リップルを少なくしやすい、云わば、電気系に適した周波数によるパルス群である。第２デューティ（１２Ａ、１２Ｂ）のパルス群は、第２周波数である周波数２０ＫＨｚで連続して発生し、パルス群の各パルス幅は、制御回路の指令によって、電流量を大きくする場合には広く、また電流量を小さくする場合には狭くなる。
また、第２デューティ（１２Ａ、１２Ｂ）のパルス群の周波数が、何故に周波数２０ＫＨｚが選択されているかについての詳細は後記する。
【００１５】
なお、図１において、第１デューティ（１１Ａ、１１Ｂ）と第２デューティ（１２Ａ、１２Ｂ）のパルス群を表記する欄のブロックで示した表題は、「デューティの制御状態」としている。
また、「デューティの制御状態」に対応して、そのときに負荷に流れる電流を表記する欄のブロックで示した表題は、「電流の制御状態」としている。
【００１６】
第１デューティ（１１Ａ、１１Ｂ）と第２デューティ（１２Ａ、１２Ｂ）は、組み合わされて１周期（１３Ａ、１３Ｂ）毎に繰り返される。１周期（１３Ａ、１３Ｂ）は図１において５０Ｈｚである。まず周期１３Ａの始めに第１デューティ１１Ａが発生し、その後に第２デューティ１２Ａが発生する。また、周期１３Ｂの始めに第１デューティ１１Ｂが発生し、その後に第２デューティ１２Ｂが発生する。それ以降の周期においても同様の順序で発生する。
【００１７】
第１デューティ（１１Ａ、１１Ｂ）は、前記したように周波数が５００Ｈｚであるので、第２デューティ（１２Ａ、１２Ｂ）の周波数２０ＫＨｚよりは低周波数であって、パルス幅を大きくしやすい。つまり、大きなトルクを発生する際に適している。
しかしながら、周波数が低いのでパルスの間隔が長く、その間に負荷の電流が変動しやすく、電流のリップルが大きくなりやすい。
【００１８】
第２デューティ（１２Ａ、１２Ｂ）は、前記したように周波数が２０ＫＨｚであるので、第１デューティ（１１Ａ、１１Ｂ）よりは高周波数であって、パルスの間隔が短く、その間に負荷の電流が変動しにくく、電流のリップルが少ない。しかしながら、パルス幅が狭いので大きなトルクを発生するのには適していない。
【００１９】
なお、図１において、第１デューティ（１１Ａ、１１Ｂ）と第２デューティ（１２Ａ、１２Ｂ）の制御状態において、負荷に流れる電流については、前記したように、「電流の制御状態」の欄に対応して示している。
５００Ｈｚの第１デューティ（１１Ａ、１１Ｂ）で制御されているときは、破線１４で囲んで示した電流波形のようにリップルが相対的に大きい。一方、第２デューティ（１２Ａ、１２Ｂ）で制御されているときは、リップルが相対的に小さい。
【００２０】
第１デューティ１１Ａと第２デューティ１２Ａは、それぞれ、その時点の状況に最適なパルス幅がＰＷＭ制御手段（モータ制御手段、不図示）によって選択される。これらの最適なパルス幅は、１周期である周期１３Ａで０．０２ｓｅｃ（１／５０Ｈｚ）の間は一定に保たれる。次の１周期である周期１３Ｂの０．０２ｓｅｃの間では、第１デューティ１１Ｂと第２デューティ１２Ｂは、それぞれ、その時点の状況に最適なパルス幅が選択されるので、周期１３Ａにおける第１デューティ１１Ａと第２デューティ１２Ａのパルス幅と、同一であることも、変化することもある。
ただし、１周期は５０Ｈｚであり、周期１３Ａ、１３Ｂの時間は一定の０．０２ｓｅｃ（１／５０Ｈｚ）である。
【００２１】
周期１３Ｂの以降においても、１周期は５０Ｈｚで不変であり、また、第１デューティは５００Ｈｚのパルス群であり、第２デューティは２０ＫＨｚのパルス群であることも不変である。しかし、各周期において、第１デューティと第２デューティは、それぞれその時点の状況に最適なパルス幅が選択される。
この第１デューティ（１１Ａ、１１Ｂ）と第２デューティ（１２Ａ、１２Ｂ）を組み合わせることにより、そして１周期の逆数である０．０２ｓｅｃ（１／５０Ｈｚ）毎に、前記ＰＷＭ制御手段（モータ制御手段、不図示）が監視して制御することにより、最適なモータ制御が可能となる。
【００２２】
≪２重ＰＷＭ信号の形成例≫
図２は、２重ＰＷＭ信号を形成する方法の一例を示す図である。
図２（ａ）は、５００Ｈｚの連続したパルス群と２０ＫＨｚの連続したパルス群が第１デューティと第２デューティに相当するパルス群を形成する過程を示している。
図２（ｂ）は、形成された第１デューティと第２デューティに相当するパルス群の波形のタイムチャートを示している。
図２（ｃ）は、第１デューティと第２デューティに相当するパルス群が合成された波形のタイムチャートを示している。
【００２３】
図２（ａ）において、第１パルス幅信号列２１０は、５００Ｈｚの連続したパルス群である。また、第２パルス幅信号列２２０は、２０ＫＨｚの連続したパルス群である。また、第１選択信号２５１は、５０Ｈｚの繰り返し信号である。また、第２選択信号２５２は、第１選択信号２５１の反転信号である。
５００Ｈｚの第１パルス幅信号列２１０を第１選択信号２５１がＨｉｇｈ（高電位、正電位、１）のときに通過させることにより、５００Ｈｚの第１パルス群２１１が形成される。また、２０ＫＨｚの第２パルス幅信号列２２０を第２選択信号２５２がＨｉｇｈ（高電位、正電位、１）のときに通過させることにより、２０ＫＨｚの第２パルス群２２１が形成される。
【００２４】
図２（ｂ）において、５００Ｈｚの第１パルス群２１１と、２０ＫＨｚの第２パルス群２２１の波形が示されている。
なお、５００Ｈｚの第１パルス群２１１は、第１デューティ１１Ａ、１１Ｂ(図１）に相当し、２０ＫＨｚの第２パルス群２２１は、第２デューティ１２Ａ、１２Ｂ(図１）に相当している。
また、第１選択信号２５１と第２選択信号２５２とは、互いに反転した関係にあるので、５００Ｈｚの第１パルス群２１１と２０ＫＨｚの第２パルス群２２１は、互いにパルスが重なることはない。
【００２５】
図２（ｃ）において、５００Ｈｚの第１パルス群２１１と２０ＫＨｚの第２パルス群２２１が合成された合成パルス群２１２の波形が示されている。
合成パルス群２１２は、図１における１周期分の第１デューティ１１Ａと第２デューティ１２Ａを併せた信号に相当している。
【００２６】
≪２重ＰＷＭ信号を形成する回路例≫
図３は、図２において説明した２重ＰＷＭ信号を形成する方法を論理回路で実現する回路例を示す図である。
図３において、ＡＮＤ（論理積）回路３３１の第１入力端子３１０には、５００Ｈｚの第１パルス幅信号列２１０（図２）が入力している。また、第２入力端子３５１には第１選択信号２５１（図２）が入力している。
ＡＮＤ回路３３２の第１入力端子３２０には、２０ＫＨｚの第２パルス幅信号列２２０（図２）が入力している。また、第２入力端子３５２には、第１選択信号２５１（図２）がインバータ（反転）回路３３４で反転した信号の第２選択信号２５２（図２）が入力している。
ＡＮＤ回路３３１の出力３１１とＡＮＤ回路３３２の出力３２１がＯＲ（論理和）回路３３３の第１入力端子と第２入力端子にそれぞれ入力している。
【００２７】
以上の構成により、ＡＮＤ回路３３１の出力３１１には、５００Ｈｚの第１パルス幅信号列２１０（図２）が第１選択信号２５１（図２）のＨｉｇｈの区間のみ出力した第１パルス群２１１（図２）の信号が得られる。
また、ＡＮＤ回路３３２の出力３２１には、２０ＫＨｚの第２パルス幅信号列２２０（図２）が第２選択信号２５２（図２）のＨｉｇｈの区間のみ出力した第２パルス群２２１（図２）の信号が得られる。
そして、ＯＲ回路３３３の出力３１２には、５００Ｈｚの第１パルス群２１１（図２）と２０ＫＨｚの第２パルス群２２１（図２）とが合成された合成パルス群２１２（図２）が形成され出力する。
なお、前記したように、合成パルス群２１２は、図１における１周期分の第１デューティ１１Ａと第２デューティ１２Ａとを併せた信号に相当している。
【００２８】
＜周波数と機械系の振動と音の関係＞
図４はＰＷＭ制御に用いる周波数と、それによって生ずる機械系の振動と音の関係を示す図である。
ＰＷＭ制御において含まれる周波数は、電動パワーステアリング装置の機械系に様々な影響を及ぼす。電動パワーステアリング装置のモータや、このモータによって駆動されるギアボックス（被駆動体）や、機械系の機構において用いられている様々な部品や構造物は、機械的な振動が共鳴するそれぞれの共振周波数を有している。
【００２９】
駆動体であるモータのＰＷＭ制御が有する機械系の応答速度に対応した第１デューティの周波数（５００Ｈｚ）と、被駆動体（ギアボックス）の共振周波数とが、近いほど、駆動体であるモータは、少ないエネルギーで効率よく被駆動体を駆動できる。
しかし、他の様々な部品や構造物の共振周波数に、機械系の第１デューティの周波数が近づくと、共振して無用な振動や音となって現れることがある。
【００３０】
図４において、周波数が５００Ｈｚ以下の領域は、機械系の機構において用いられている様々な部品や構造物が共振する可能性の高い共振領域である。そして、５００Ｈｚ以下の共振は「振動」として現れることが多い。したがって、０〜５００Ｈｚの領域は機械系の振動としての共振領域である。
また、５００Ｈｚ以上は「音」となって現れることが多い。そして、人間の可聴範囲は、一般的には２０Ｈｚ〜２０ＫＨｚであるので、２０ＫＨｚ以上は発生しても音としては人間には聞き取れない領域である。
したがって、５００Ｈｚ〜２０ＫＨｚの領域は音として認識される共振領域である。
このように、ＰＷＭ制御によって発生する共振現象は「振動」または「音」となって現れることがあるが、経験上、「振動」は比較的大きな問題として認識され、「音」は比較的軽微な問題として認識されている。
【００３１】
以上より、極力、「振動」としての共振現象は起こさないこと、
そして機械系の機構において用いられている様々な部品が共振する可能性の高い共振領域は０〜５００Ｈｚの領域であること、
また、周波数が低い方がＰＷＭ制御における大きなトルクを発生しやすいこと、
また、当面の対象である電動パワーステアリング装置の被駆動体であるギアボックスの共振周波数が５００Ｈｚ付近であること、
等を勘案して、第１デューティ（１１Ａ、１１Ｂ、図１）の周波数は５００Ｈｚが選択されている。
【００３２】
また、人間の可聴範囲は、一般的には２０Ｈｚ〜２０ＫＨｚであることから、２０ＫＨｚを超せば、電気系において発生した「音」が支障とならないこと、
また、周波数が高い方が電流のリップルが少なくなること、
また、一方では、摩擦係数の小さい動摩擦係数が支配する領域を対象としても、あまりにも周波数が高くなると、所定のトルクを発生する所定のパルス幅が確保できなくなること、
等を勘案して、第２デューティ（１２Ａ、１２Ｂ、図１）の周波数は、２０ＫＨｚが選択されている。
【００３３】
＜ＰＷＭ制御のソレノイド回路における使用例＞
図５は、スイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）をＨブリッジで構成し、直流モータのコイル（ソレノイド）を、複合ＰＷＭで制御する回路（ソレノイド回路）例を示した図である。
図５において、直流電源５６から正電位Ｅと負電位０の直流電圧（直流電力）が供給される。
【００３４】
Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ５２のソースは正電位Ｅに接続され、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ５２のドレインはＮ型ＭＯＳＦＥＴ５３のドレインに接続されている。Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ５３のソースは負電位０に接続されている。
Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ５４のソースは正電位Ｅに接続され、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ５４のドレインはＮ型ＭＯＳＦＥＴ５５のドレインに接続されている。Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ５５のソースは負電位０に接続されている。
Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ５２とＮ型ＭＯＳＦＥＴ５３のドレイン同士の接続点と、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ５４とＮ型ＭＯＳＦＥＴ５５のドレイン同士の接続点との間にソレノイド（コイル）５１が接続されている。
【００３５】
図５の回路において、例えばＰ型ＭＯＳＦＥＴ５４とＮ型ＭＯＳＦＥＴ５３をオフの状態で、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ５２とＮ型ＭＯＳＦＥＴ５５をオンすれば、ソレノイド５１に、図５における左から右方向に電流が流れる。そして、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ５２とＮ型ＭＯＳＦＥＴ５５のゲート電位をＰＷＭ制御すれば、ソレノイド５１に流れる平均的な電流量を制御できる。
また、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ５２とＮ型ＭＯＳＦＥＴ５５をオフの状態で、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ５４とＮ型ＭＯＳＦＥＴ５３をオンすれば、ソレノイド５１に図５における右から左方向に電流が流れる。そして、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ５４とＮ型ＭＯＳＦＥＴ５３のゲート電位をＰＷＭ制御すれば、ソレノイド５１に流れる平均的な電流量を制御できる。
【００３６】
したがって、図５の回路では、ソレノイド５１に流れる電流量を制御し、かつ両方向に電流を流すことができる。
例えば、電動パワーステアリング装置においては、この電動パワーステアリング装置（不図示）に備えられた直流モータ（被駆動体を駆動するモータ、不図示）を制御することに適した回路である。
なお、このとき前記直流モータは、前記電動パワーステアリング装置のギアボックス（被駆動体、不図示）を駆動することになる。
【００３７】
(第２実施形態)
次に本発明の第２実施形態のＰＷＭ制御方法（複合ＰＷＭ）による電流制御の方法について説明する。
第２実施形態においては、制御対象であるモータに流れる電流値の大小によって、２重ＰＷＭ信号の第１デューティと第２デューティの割合を変えるものである。
【００３８】
図６は、この電流値によって、２重ＰＷＭ信号の第１デューティと第２デューティの割合を変える様子を１周期分（５０Ｈｚ、１／５０秒）について示した図である。図６は制御対象であるモータに流れる電流値の最大値に対する割合によって、（ａ）電流値５％以下、（ｂ）電流値１０％以下、（ｃ）電流値１５％未満、（ｄ）電流値１５％以上、のそれぞれに異なる制御方法をとっていることを示している。
パルス幅制御（ＰＷＭ制御）において、パルスの電位がすべて正電位（高電位）であれば制御対象に流れる電流は、常に流れるので最大の電流値をとる。パルスが正電位（高電位）のみならず、ある割合で負電位（低電位）をとれば、それに応じて電流は減る。したがって、例えば（ａ）の「電流値５％以下」というのは１周期において、パルスが正電位（高電位）をとっている割合が「５％以下」であることも意味している。
【００３９】
図６（ａ）は、モータに流れる電流値が少なく、最大値の５％以下の電流値の場合の第１デューティと第２デューティを示した図である。
図６（ａ）において、５００Ｈｚの第１デューティであるパルスは３回である。そして、２０ＫＨｚの第２デューティは停止している。
【００４０】
これは、静止状態（電流値０）から電動パワーステアリング装置のモータを作動し始める状態に対応している。静止状態においては静止摩擦が働き摩擦係数が大きい。したがって操舵時の切り始めの「貼り付き感」を解消する、もしくは緩和するために大きなトルクが必要である。
なお、動き始めにおいては、まず動きだすことが重要であって、多少の振動は問題にならないために、５００Ｈｚの第１デューティを用いる。また、第１デューティの５００Ｈｚのパルスは３回であることは同じであるが、パルス幅は電流値０〜５％において、最適となるように選択されて制御される。
【００４１】
図６（ｂ）は、モータに流れる電流値が最大値の５％超〜１０％以下の場合の第１デューティと第２デューティを示した図である。なお、図６（ｂ）においては、電流値が最大値の５％超〜１０％以下の場合を「電流値１０％以下」と簡略化して表記している。
図６（ｂ）において、５００Ｈｚの第１デューティであるパルスは２回である。この第１デューティである２回のパルスは周期の始めに発生している。そして、この第１デューティの２回のパルスの後は、２０ＫＨｚの第２デューティが動作する。
これは既に電動パワーステアリング装置が作動しているので、５００Ｈｚの第１デューティのトルクよりも、２０ＫＨｚの第２デューティの滑らかさの要求が増すためである。
なお、電流値が最大値の５％超〜１０％以下で変化する過程においては、５００Ｈｚの第１デューティと２０ＫＨｚの第２デューティのパルス幅は、それぞれ最適となるように選択されて制御される。
【００４２】
図６（ｃ）は、モータに流れる電流値が最大値の１０％超〜１５％未満の場合の第１デューティと第２デューティを示した図である。なお、図６（ｃ）においては、電流値が最大値の１０％超〜１５％未満の場合を「電流値１５％未満」と簡略化して表記している。
図６（ｃ）において、５００Ｈｚの第１デューティであるパルスは１回である。この第１デューティである１回のパルスは周期の始めに発生している。そして、この第１デューティの１回のパルスの後は、２０ＫＨｚの第２デューティが動作する。
これは、電動パワーステアリング装置がより強く作動している状態に適した制御とするためである。
なお、電流値が最大値の１０％超〜１５％未満で変化する過程においては、５００Ｈｚの第１デューティと２０ＫＨｚの第２デューティのパルス幅は、それぞれ最適となるように選択されて制御される。
【００４３】
図６（ｄ）は、モータに流れる電流値が最大値の１５％以上の場合の第１デューティと第２デューティを示した図である。
図６（ｄ）において、５００Ｈｚの第１デューティのパルスはない。２０ＫＨｚの第２デューティのみが動作する。
これは、電動パワーステアリング装置がさらに強く作動しているので、５００Ｈｚの第１デューティの大きなトルクは不要であって、２０ＫＨｚの滑らかな制御が必要とされるためである。
なお、電流値が最大値の１５％以上で変化する過程においては、２０ＫＨｚの第２デューティのパルス幅は最適となるように選択されて制御される。
【００４４】
（その他の実施形態）
本発明は、前記の実施形態に限定されるものではない。以下に例をあげる。
図１、図６において、第１デューティ１１が第１周波数である５００Ｈｚ、第２デューティ１２が第２周波数である２０ＫＨｚという周波数によって形成される例をあげたが、これは一例にすぎない。他の周波数の組み合わせでもよい。
殊に、第１デューティ１１の第１周波数である５００Ｈｚは、機械系の特性に依存して設定されているので、モータや被駆動体が変われば、第１デューティ１１の第１周波数も変化することはありうる。
また、第１デューティ１１と第２デューティ１２が組として繰り返される周期として５０Ｈｚを例にあげたが、他の周波数による周期でもよい。
【００４５】
また、第１周波数、第２周波数による組み合わせのみではなく、さらにＮ（Ｎ≧３）個の周波数を備えたＮ種類の周波数の組み合わせでもよい。
前記制御の最適な周波数は作動させる機械系の種類に応じて異なる。したがって、機械系の異なる特性の部品、構成要素が多くあれば、その種類に応じて、Ｎ（Ｎ≧３）個の周波数からなる第１デューティ〜第Ｎデューティを組み合わせて使用してもよい。
【００４６】
また、第２実施形態において、モータに流れる電流値が５％以下、５％超から１０％以下、１０％超から１５％未満、１５％以上によって、第１デューティ１１と第２デューティ１２との割合を変えていたが、以上の設定を変える電流値は他の値でもよい。それぞれのモータや電動パワーステアリング装置に適した所定の値を設定すればよい。
【００４７】
また、第２実施形態において、モータに流れる電流値が５％以下、５％超から１０％以下、１０％超から１５％未満、１５％以上において、第１デューティのパルスの本数を定めているが、別の本数に定めてもよい。それぞれのモータや電動パワーステアリング装置に適した所定の値を設定すればよい。
【００４８】
また、モータに流れる電流値が上昇していく場合と下降していく場合において、以上の設定を変える電流値の所定値が異なっていてもよい。それによって、設定値の境界において、より滑らかに制御が切換る可能性がある。
【００４９】
また、モータに流れる電流値が上昇していく場合と下降していく場合において、以上の第１デューティのパルスの本数が異なっていてもよい。それによって、設定値の境界において、より滑らかに制御が切換る可能性がある。
【００５０】
また、以上においては電動パワーステアリング装置のモータを例にとって説明したが、他の分野のモータのＰＷＭ制御に適用してもよい。
【００５１】
また、以上においては、電流が０で静止しているシステムの実施形態で説明したが、リニアソレノイドのように電流が流れている状態で静止するシステムにおいても、異なる周波数からなる第１デューティと第２デューティを用いた複合ＰＷＭによる電流制御を適用してもよい。
【００５２】
また、図５の回路図において、ＭＯＳＦＥＴのスイッチング素子でＨブリッジを構成した回路を示したが、直流電流の流れる方向を切換える必要のない用途においては、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１個をスイッチング素子として用い、ソレノイド（コイル）に流れる電流のオン・オフ（ＯＮ・ＯＦＦ）と電流量を制御してもよい。
また、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴではなくＰ型ＭＯＳＦＥＴを用いてもよい。ただし、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴを用いる場合は、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴを用いる場合の逆の極性の信号を用いる。つまり、図１または図６で示したＰＷＭ制御信号を反転させた信号を用いて制御する。
【００５３】
また、図５において、スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴを用いる例を示したが、スイッチング素子の機能を果たせばよいので、ＭＯＳＦＥＴ以外であってもよい。例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）や、ＢＪＴ（Bipolar Junction Transistor、バイポーラ接合型トランジスタ）、あるいは、他の適切なスイッチング素子を用いても良い。
【００５４】
（本発明、本実施形態の補足）
電動パワーステアリングシステムにおいては、滑らかな操舵性と、操舵時の切り始めの充分なアシスト力を確保する必要がある。
そのために、本システムは、ＰＷＭ制御の周波数をリップル電流の少ない第２周波数と、機械系が応答する第１周波数による２つの周波数との最低２つを用いて、電流制御を行う。
電気系の第２周波数によって形成される第２デューティによって、電流のリップルが減少し、細かく滑らかな操舵性と、低振動、低騒音が実現する。
また、機械系の第１周波数によって形成される第１デューティによって、操舵時の切り始めの充分なアシスト力が確保され、「張り付き感」が緩和する。
より具体的には、摩擦力の大きい機械（例えば同軸ＥＰＳ：Electric Power Steering、電動パワーステアリング）の動き出しを滑らかにする。
また、自動車においては、高速道路での修正舵、ハンドル中立位置からの切り出し等に効果がある。
以上、本発明の方式を電動パワーステアリングシステムに採用することにより、商品性と機能バランスのとれた性能を実現できる。
【符号の説明】
【００５５】
１１Ａ、１１Ｂ 第１デューティ
１２Ａ、１２Ｂ 第２デューティ
１３Ａ、１３Ｂ 周期
２１０ 第１パルス幅信号列
２１１ 第１パルス群
２１２ 合成パルス群
２２０ 第２パルス幅信号列
２２１ 第２パルス群
２５１ 第１選択信号
２５２ 第２選択信号
３１０、３２０ 第１入力端子
３１１、３１２、３２１ 出力
３３１、３３２ ＡＮＤ回路
３３３ ＯＲ回路
３３４ インバータ回路
３５１、３５２ 第２入力端子
５１ ソレノイド（コイル）
５２、５４ Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ
５３、５５ Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ
５６ 直流電源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動パワーステアリング装置などに用いられるＰＷＭ制御装置のＰＷＭ制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、モータやコイルなどの誘導系の負荷に対するＰＷＭ（Pulse Width Modulation、パルス幅変調）制御は、前記負荷に流れる電流が連続的になり、その電流のリップル量が許容できる値になる周波数で制御を行っている。例えばモータを用いて自動車等の車両のステアリング機構に操舵補助力を与えて操舵者の操舵補助を行う電動パワーステアリング装置においては、滑らかな操舵性を確保するために比較的高い周波数を前記の制御に用いている。
また、電動パワーステアリング装置のモータは機械的なギアを経由して車輪を操舵している。この機械的な構造においては、作動していない状態では静止摩擦によって摩擦係数が大きく、作動後においては動摩擦によって摩擦係数が小さくなるという物理的な機構を有している。
以上の滑らかな操舵性と操舵時の切り始めでのアシスト不足に対処するために、様々な工夫が必要であり、例えば特許文献１がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１５４９５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の電流制御はリップル（Ripple、脈動）電流が少ないように周波数を選定しているため、作動状態では滑らかであるが、停止状態から微小に動く時には、摩擦係数の大きな（静止摩擦）静止状態から摩擦係数の小さな（動摩擦）動的状態への移行動作となるため、動き出しが唐突になる場合がある。つまり、動いた瞬間から摩擦係数の小さい動摩擦に変わる為、動き出し後に意図していない操舵上の加速が行われてしまう可能性がある。
また、停止状態から作動状態へ移行する際に電動パワーステアリング装置のモータに駆動トルクをかける瞬間は、ＰＷＭ制御の比較的大きいパルス幅を入力するが、前記の機械系に適した駆動周波数はリップル電流が大きい。したがって、ＰＷＭの制御周期において、常に機械系の駆動周波数に合わせると、作動状態においても、大きなリップル電流が常に流れ、振動や、音を発生させる。これは自動車としての商品性を低下させる。
また、特許文献１においても、さらに高度な、滑らかな操舵性と操舵時の切り始めでの強いアシスト力が求められている。
【０００５】
そこで、本発明はこのような問題点を解決するもので、その目的とするところは、作動状態は勿論、停止状態から低速で動きだす場合においても、滑らかな制御ができるＰＷＭ制御の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】
【０００６】
前記の課題を解決して、本発明の目的を達成するために、以下のように構成した。
すなわち、被駆動体と、当該被駆動体を駆動するモータと、前記モータをＰＷＭ制御するモータ制御手段と、を備え、前記ＰＷＭ制御の１周期の中に、前記被駆動体の共振周波数に対応した周波数のパルス群からなる第１デューティと、前記第１デューティのパルス群の周波数よりも高い周波数のパルス群からなる第２デューティと、を有することを特徴とする。
【０００７】
かかる構成により、前記第１デューティの前記被駆動体の共振周波数に対応した周波数のパルス群によって、操舵時の切り始めで充分なアシスト力が発生する。また、被駆動体の動作が静止摩擦から動摩擦に変化した際には、前記第２デューティの高い周波数のパルス群によって、電流のリップルや振動、騒音の少ない滑らかな操舵を行う駆動力が発生する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、作動状態は勿論、停止状態から低速で動きだす場合においても、滑らかな制御ができるＰＷＭ制御の制御方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態のＰＷＭ制御方法と、そのときの電流の制御状態を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態の２重ＰＷＭ信号を形成する方法の一例を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態の２重ＰＷＭ信号を形成する方法を論理回路で実現する回路例を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態のＰＷＭ制御に用いる周波数と、それによって生ずる機械系の振動と音の関係を示す図である。
【図５】本発明の第１実施形態のモータのコイル（ソレノイド）を複合ＰＷＭで制御する回路例を示した図である。
【図６】本発明の第２実施形態において、モータの電流値によって、２重ＰＷＭ信号の第１デューティと第２デューティの割合を変える様子を示した図であり、（ａ）は電流値が５％以下、（ｂ）は５％超〜１０％以下、（ｃ）は１０％超〜１５％未満、（ｄ）は１５％以上の場合を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照して説明する。
【００１１】
(第１実施形態)
図１は、本発明の第１実施形態のＰＷＭ制御方法と、そのときの電流の制御状態を示す図である。
本発明のＰＷＭ制御方法においては、異なる周波数から構成される複数のデューティ（パルス群）を合成して、ＰＷＭ制御を行う。このデューティの数をＮ（Ｎは正の整数）として、Ｎ＝２の場合を２重ＰＷＭと適宜表記する。また一般のＮ（Ｎ≧２、Ｎは整数）に対しては、複合ＰＷＭと適宜表記する。
まず、複合ＰＷＭ、あるいは２重ＰＷＭで用いられる信号である第１デューティ（１１Ａ、１１Ｂ）と第２デューティ（１２Ａ、１２Ｂ）について説明する。
【００１２】
≪２重ＰＷＭ信号の第１デューティと第２デューティについて≫
図１において、第１デューティ（１１Ａ、１１Ｂ）は、モータ（駆動体、不図示）の被駆動体である電動パワーステアリング装置（不図示）の機械系の応答速度に対応した（機械系の共振周波数に近い）低い周波数のパルス群である。
つまり、後記する第２デューティ（１２Ａ、１２Ｂ）のパルス群よりは低い周波数であるので、パルス幅を大きく（広く）できて、トルクを大きくしやすい、云わば、機械系に適した周波数によるパルス群である。
【００１３】
第１デューティ（１１Ａ、１１Ｂ）のパルス群は、第１周波数である周波数５００Ｈｚで連続して発生し、パルス群の各パルス幅は制御回路の指令によって、負荷の電流量を大きくする場合には広く、また負荷の電流量を小さくする場合には狭くなる。
なお、第１デューティ（１１Ａ、１１Ｂ）のパルス群の周波数が、何故に５００Ｈｚが選択されているかについての詳細は後記する。
【００１４】
第２デューティ（１２Ａ、１２Ｂ）は、リップルを少なくしやすい、云わば、電気系に適した周波数によるパルス群である。第２デューティ（１２Ａ、１２Ｂ）のパルス群は、第２周波数である周波数２０ＫＨｚで連続して発生し、パルス群の各パルス幅は、制御回路の指令によって、電流量を大きくする場合には広く、また電流量を小さくする場合には狭くなる。
また、第２デューティ（１２Ａ、１２Ｂ）のパルス群の周波数が、何故に周波数２０ＫＨｚが選択されているかについての詳細は後記する。
【００１５】
なお、図１において、第１デューティ（１１Ａ、１１Ｂ）と第２デューティ（１２Ａ、１２Ｂ）のパルス群を表記する欄のブロックで示した表題は、「デューティの制御状態」としている。
また、「デューティの制御状態」に対応して、そのときに負荷に流れる電流を表記する欄のブロックで示した表題は、「電流の制御状態」としている。
【００１６】
第１デューティ（１１Ａ、１１Ｂ）と第２デューティ（１２Ａ、１２Ｂ）は、組み合わされて１周期（１３Ａ、１３Ｂ）毎に繰り返される。１周期（１３Ａ、１３Ｂ）は図１において５０Ｈｚである。まず周期１３Ａの始めに第１デューティ１１Ａが発生し、その後に第２デューティ１２Ａが発生する。また、周期１３Ｂの始めに第１デューティ１１Ｂが発生し、その後に第２デューティ１２Ｂが発生する。それ以降の周期においても同様の順序で発生する。
【００１７】
第１デューティ（１１Ａ、１１Ｂ）は、前記したように周波数が５００Ｈｚであるので、第２デューティ（１２Ａ、１２Ｂ）の周波数２０ＫＨｚよりは低周波数であって、パルス幅を大きくしやすい。つまり、大きなトルクを発生する際に適している。
しかしながら、周波数が低いのでパルスの間隔が長く、その間に負荷の電流が変動しやすく、電流のリップルが大きくなりやすい。
【００１８】
第２デューティ（１２Ａ、１２Ｂ）は、前記したように周波数が２０ＫＨｚであるので、第１デューティ（１１Ａ、１１Ｂ）よりは高周波数であって、パルスの間隔が短く、その間に負荷の電流が変動しにくく、電流のリップルが少ない。しかしながら、パルス幅が狭いので大きなトルクを発生するのには適していない。
【００１９】
なお、図１において、第１デューティ（１１Ａ、１１Ｂ）と第２デューティ（１２Ａ、１２Ｂ）の制御状態において、負荷に流れる電流については、前記したように、「電流の制御状態」の欄に対応して示している。
５００Ｈｚの第１デューティ（１１Ａ、１１Ｂ）で制御されているときは、破線１４で囲んで示した電流波形のようにリップルが相対的に大きい。一方、第２デューティ（１２Ａ、１２Ｂ）で制御されているときは、リップルが相対的に小さい。
【００２０】
第１デューティ１１Ａと第２デューティ１２Ａは、それぞれ、その時点の状況に最適なパルス幅がＰＷＭ制御手段（モータ制御手段、不図示）によって選択される。これらの最適なパルス幅は、１周期である周期１３Ａで０．０２ｓｅｃ（１／５０Ｈｚ）の間は一定に保たれる。次の１周期である周期１３Ｂの０．０２ｓｅｃの間では、第１デューティ１１Ｂと第２デューティ１２Ｂは、それぞれ、その時点の状況に最適なパルス幅が選択されるので、周期１３Ａにおける第１デューティ１１Ａと第２デューティ１２Ａのパルス幅と、同一であることも、変化することもある。
ただし、１周期は５０Ｈｚであり、周期１３Ａ、１３Ｂの時間は一定の０．０２ｓｅｃ（１／５０Ｈｚ）である。
【００２１】
周期１３Ｂの以降においても、１周期は５０Ｈｚで不変であり、また、第１デューティは５００Ｈｚのパルス群であり、第２デューティは２０ＫＨｚのパルス群であることも不変である。しかし、各周期において、第１デューティと第２デューティは、それぞれその時点の状況に最適なパルス幅が選択される。
この第１デューティ（１１Ａ、１１Ｂ）と第２デューティ（１２Ａ、１２Ｂ）を組み合わせることにより、そして１周期の逆数である０．０２ｓｅｃ（１／５０Ｈｚ）毎に、前記ＰＷＭ制御手段（モータ制御手段、不図示）が監視して制御することにより、最適なモータ制御が可能となる。
【００２２】
≪２重ＰＷＭ信号の形成例≫
図２は、２重ＰＷＭ信号を形成する方法の一例を示す図である。
図２（ａ）は、５００Ｈｚの連続したパルス群と２０ＫＨｚの連続したパルス群が第１デューティと第２デューティに相当するパルス群を形成する過程を示している。
図２（ｂ）は、形成された第１デューティと第２デューティに相当するパルス群の波形のタイムチャートを示している。
図２（ｃ）は、第１デューティと第２デューティに相当するパルス群が合成された波形のタイムチャートを示している。
【００２３】
図２（ａ）において、第１パルス幅信号列２１０は、５００Ｈｚの連続したパルス群である。また、第２パルス幅信号列２２０は、２０ＫＨｚの連続したパルス群である。また、第１選択信号２５１は、５０Ｈｚの繰り返し信号である。また、第２選択信号２５２は、第１選択信号２５１の反転信号である。
５００Ｈｚの第１パルス幅信号列２１０を第１選択信号２５１がＨｉｇｈ（高電位、正電位、１）のときに通過させることにより、５００Ｈｚの第１パルス群２１１が形成される。また、２０ＫＨｚの第２パルス幅信号列２２０を第２選択信号２５２がＨｉｇｈ（高電位、正電位、１）のときに通過させることにより、２０ＫＨｚの第２パルス群２２１が形成される。
【００２４】
図２（ｂ）において、５００Ｈｚの第１パルス群２１１と、２０ＫＨｚの第２パルス群２２１の波形が示されている。
なお、５００Ｈｚの第１パルス群２１１は、第１デューティ１１Ａ、１１Ｂ(図１）に相当し、２０ＫＨｚの第２パルス群２２１は、第２デューティ１２Ａ、１２Ｂ(図１）に相当している。
また、第１選択信号２５１と第２選択信号２５２とは、互いに反転した関係にあるので、５００Ｈｚの第１パルス群２１１と２０ＫＨｚの第２パルス群２２１は、互いにパルスが重なることはない。
【００２５】
図２（ｃ）において、５００Ｈｚの第１パルス群２１１と２０ＫＨｚの第２パルス群２２１が合成された合成パルス群２１２の波形が示されている。
合成パルス群２１２は、図１における１周期分の第１デューティ１１Ａと第２デューティ１２Ａを併せた信号に相当している。
【００２６】
≪２重ＰＷＭ信号を形成する回路例≫
図３は、図２において説明した２重ＰＷＭ信号を形成する方法を論理回路で実現する回路例を示す図である。
図３において、ＡＮＤ（論理積）回路３３１の第１入力端子３１０には、５００Ｈｚの第１パルス幅信号列２１０（図２）が入力している。また、第２入力端子３５１には第１選択信号２５１（図２）が入力している。
ＡＮＤ回路３３２の第１入力端子３２０には、２０ＫＨｚの第２パルス幅信号列２２０（図２）が入力している。また、第２入力端子３５２には、第１選択信号２５１（図２）がインバータ（反転）回路３３４で反転した信号の第２選択信号２５２（図２）が入力している。
ＡＮＤ回路３３１の出力３１１とＡＮＤ回路３３２の出力３２１がＯＲ（論理和）回路３３３の第１入力端子と第２入力端子にそれぞれ入力している。
【００２７】
以上の構成により、ＡＮＤ回路３３１の出力３１１には、５００Ｈｚの第１パルス幅信号列２１０（図２）が第１選択信号２５１（図２）のＨｉｇｈの区間のみ出力した第１パルス群２１１（図２）の信号が得られる。
また、ＡＮＤ回路３３２の出力３２１には、２０ＫＨｚの第２パルス幅信号列２２０（図２）が第２選択信号２５２（図２）のＨｉｇｈの区間のみ出力した第２パルス群２２１（図２）の信号が得られる。
そして、ＯＲ回路３３３の出力３１２には、５００Ｈｚの第１パルス群２１１（図２）と２０ＫＨｚの第２パルス群２２１（図２）とが合成された合成パルス群２１２（図２）が形成され出力する。
なお、前記したように、合成パルス群２１２は、図１における１周期分の第１デューティ１１Ａと第２デューティ１２Ａとを併せた信号に相当している。
【００２８】
＜周波数と機械系の振動と音の関係＞
図４はＰＷＭ制御に用いる周波数と、それによって生ずる機械系の振動と音の関係を示す図である。
ＰＷＭ制御において含まれる周波数は、電動パワーステアリング装置の機械系に様々な影響を及ぼす。電動パワーステアリング装置のモータや、このモータによって駆動されるギアボックス（被駆動体）や、機械系の機構において用いられている様々な部品や構造物は、機械的な振動が共鳴するそれぞれの共振周波数を有している。
【００２９】
駆動体であるモータのＰＷＭ制御が有する機械系の応答速度に対応した第１デューティの周波数（５００Ｈｚ）と、被駆動体（ギアボックス）の共振周波数とが、近いほど、駆動体であるモータは、少ないエネルギーで効率よく被駆動体を駆動できる。
しかし、他の様々な部品や構造物の共振周波数に、機械系の第１デューティの周波数が近づくと、共振して無用な振動や音となって現れることがある。
【００３０】
図４において、周波数が５００Ｈｚ以下の領域は、機械系の機構において用いられている様々な部品や構造物が共振する可能性の高い共振領域である。そして、５００Ｈｚ以下の共振は「振動」として現れることが多い。したがって、０〜５００Ｈｚの領域は機械系の振動としての共振領域である。
また、５００Ｈｚ以上は「音」となって現れることが多い。そして、人間の可聴範囲は、一般的には２０Ｈｚ〜２０ＫＨｚであるので、２０ＫＨｚ以上は発生しても音としては人間には聞き取れない領域である。
したがって、５００Ｈｚ〜２０ＫＨｚの領域は音として認識される共振領域である。
このように、ＰＷＭ制御によって発生する共振現象は「振動」または「音」となって現れることがあるが、経験上、「振動」は比較的大きな問題として認識され、「音」は比較的軽微な問題として認識されている。
【００３１】
以上より、極力、「振動」としての共振現象は起こさないこと、
そして機械系の機構において用いられている様々な部品が共振する可能性の高い共振領域は０〜５００Ｈｚの領域であること、
また、周波数が低い方がＰＷＭ制御における大きなトルクを発生しやすいこと、
また、当面の対象である電動パワーステアリング装置の被駆動体であるギアボックスの共振周波数が５００Ｈｚ付近であること、
等を勘案して、第１デューティ（１１Ａ、１１Ｂ、図１）の周波数は５００Ｈｚが選択されている。
【００３２】
また、人間の可聴範囲は、一般的には２０Ｈｚ〜２０ＫＨｚであることから、２０ＫＨｚを超せば、電気系において発生した「音」が支障とならないこと、
また、周波数が高い方が電流のリップルが少なくなること、
また、一方では、摩擦係数の小さい動摩擦係数が支配する領域を対象としても、あまりにも周波数が高くなると、所定のトルクを発生する所定のパルス幅が確保できなくなること、
等を勘案して、第２デューティ（１２Ａ、１２Ｂ、図１）の周波数は、２０ＫＨｚが選択されている。
【００３３】
＜ＰＷＭ制御のソレノイド回路における使用例＞
図５は、スイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）をＨブリッジで構成し、直流モータのコイル（ソレノイド）を、複合ＰＷＭで制御する回路（ソレノイド回路）例を示した図である。
図５において、直流電源５６から正電位Ｅと負電位０の直流電圧（直流電力）が供給される。
【００３４】
Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ５２のソースは正電位Ｅに接続され、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ５２のドレインはＮ型ＭＯＳＦＥＴ５３のドレインに接続されている。Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ５３のソースは負電位０に接続されている。
Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ５４のソースは正電位Ｅに接続され、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ５４のドレインはＮ型ＭＯＳＦＥＴ５５のドレインに接続されている。Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ５５のソースは負電位０に接続されている。
Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ５２とＮ型ＭＯＳＦＥＴ５３のドレイン同士の接続点と、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ５４とＮ型ＭＯＳＦＥＴ５５のドレイン同士の接続点との間にソレノイド（コイル）５１が接続されている。
【００３５】
図５の回路において、例えばＰ型ＭＯＳＦＥＴ５４とＮ型ＭＯＳＦＥＴ５３をオフの状態で、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ５２とＮ型ＭＯＳＦＥＴ５５をオンすれば、ソレノイド５１に、図５における左から右方向に電流が流れる。そして、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ５２とＮ型ＭＯＳＦＥＴ５５のゲート電位をＰＷＭ制御すれば、ソレノイド５１に流れる平均的な電流量を制御できる。
また、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ５２とＮ型ＭＯＳＦＥＴ５５をオフの状態で、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ５４とＮ型ＭＯＳＦＥＴ５３をオンすれば、ソレノイド５１に図５における右から左方向に電流が流れる。そして、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ５４とＮ型ＭＯＳＦＥＴ５３のゲート電位をＰＷＭ制御すれば、ソレノイド５１に流れる平均的な電流量を制御できる。
【００３６】
したがって、図５の回路では、ソレノイド５１に流れる電流量を制御し、かつ両方向に電流を流すことができる。
例えば、電動パワーステアリング装置においては、この電動パワーステアリング装置（不図示）に備えられた直流モータ（被駆動体を駆動するモータ、不図示）を制御することに適した回路である。
なお、このとき前記直流モータは、前記電動パワーステアリング装置のギアボックス（被駆動体、不図示）を駆動することになる。
【００３７】
(第２実施形態)
次に本発明の第２実施形態のＰＷＭ制御方法（複合ＰＷＭ）による電流制御の方法について説明する。
第２実施形態においては、制御対象であるモータに流れる電流値の大小によって、２重ＰＷＭ信号の第１デューティと第２デューティの割合を変えるものである。
【００３８】
図６は、この電流値によって、２重ＰＷＭ信号の第１デューティと第２デューティの割合を変える様子を１周期分（５０Ｈｚ、１／５０秒）について示した図である。図６は制御対象であるモータに流れる電流値の最大値に対する割合によって、（ａ）電流値５％以下、（ｂ）電流値１０％以下、（ｃ）電流値１５％未満、（ｄ）電流値１５％以上、のそれぞれに異なる制御方法をとっていることを示している。
パルス幅制御（ＰＷＭ制御）において、パルスの電位がすべて正電位（高電位）であれば制御対象に流れる電流は、常に流れるので最大の電流値をとる。パルスが正電位（高電位）のみならず、ある割合で負電位（低電位）をとれば、それに応じて電流は減る。したがって、例えば（ａ）の「電流値５％以下」というのは１周期において、パルスが正電位（高電位）をとっている割合が「５％以下」であることも意味している。
【００３９】
図６（ａ）は、モータに流れる電流値が少なく、最大値の５％以下の電流値の場合の第１デューティと第２デューティを示した図である。
図６（ａ）において、５００Ｈｚの第１デューティであるパルスは３回である。そして、２０ＫＨｚの第２デューティは停止している。
【００４０】
これは、静止状態（電流値０）から電動パワーステアリング装置のモータを作動し始める状態に対応している。静止状態においては静止摩擦が働き摩擦係数が大きい。したがって操舵時の切り始めの「貼り付き感」を解消する、もしくは緩和するために大きなトルクが必要である。
なお、動き始めにおいては、まず動きだすことが重要であって、多少の振動は問題にならないために、５００Ｈｚの第１デューティを用いる。また、第１デューティの５００Ｈｚのパルスは３回であることは同じであるが、パルス幅は電流値０〜５％において、最適となるように選択されて制御される。
【００４１】
図６（ｂ）は、モータに流れる電流値が最大値の５％超〜１０％以下の場合の第１デューティと第２デューティを示した図である。なお、図６（ｂ）においては、電流値が最大値の５％超〜１０％以下の場合を「電流値１０％以下」と簡略化して表記している。
図６（ｂ）において、５００Ｈｚの第１デューティであるパルスは２回である。この第１デューティである２回のパルスは周期の始めに発生している。そして、この第１デューティの２回のパルスの後は、２０ＫＨｚの第２デューティが動作する。
これは既に電動パワーステアリング装置が作動しているので、５００Ｈｚの第１デューティのトルクよりも、２０ＫＨｚの第２デューティの滑らかさの要求が増すためである。
なお、電流値が最大値の５％超〜１０％以下で変化する過程においては、５００Ｈｚの第１デューティと２０ＫＨｚの第２デューティのパルス幅は、それぞれ最適となるように選択されて制御される。
【００４２】
図６（ｃ）は、モータに流れる電流値が最大値の１０％超〜１５％未満の場合の第１デューティと第２デューティを示した図である。なお、図６（ｃ）においては、電流値が最大値の１０％超〜１５％未満の場合を「電流値１５％未満」と簡略化して表記している。
図６（ｃ）において、５００Ｈｚの第１デューティであるパルスは１回である。この第１デューティである１回のパルスは周期の始めに発生している。そして、この第１デューティの１回のパルスの後は、２０ＫＨｚの第２デューティが動作する。
これは、電動パワーステアリング装置がより強く作動している状態に適した制御とするためである。
なお、電流値が最大値の１０％超〜１５％未満で変化する過程においては、５００Ｈｚの第１デューティと２０ＫＨｚの第２デューティのパルス幅は、それぞれ最適となるように選択されて制御される。
【００４３】
図６（ｄ）は、モータに流れる電流値が最大値の１５％以上の場合の第１デューティと第２デューティを示した図である。
図６（ｄ）において、５００Ｈｚの第１デューティのパルスはない。２０ＫＨｚの第２デューティのみが動作する。
これは、電動パワーステアリング装置がさらに強く作動しているので、５００Ｈｚの第１デューティの大きなトルクは不要であって、２０ＫＨｚの滑らかな制御が必要とされるためである。
なお、電流値が最大値の１５％以上で変化する過程においては、２０ＫＨｚの第２デューティのパルス幅は最適となるように選択されて制御される。
【００４４】
（その他の実施形態）
本発明は、前記の実施形態に限定されるものではない。以下に例をあげる。
図１、図６において、第１デューティ１１が第１周波数である５００Ｈｚ、第２デューティ１２が第２周波数である２０ＫＨｚという周波数によって形成される例をあげたが、これは一例にすぎない。他の周波数の組み合わせでもよい。
殊に、第１デューティ１１の第１周波数である５００Ｈｚは、機械系の特性に依存して設定されているので、モータや被駆動体が変われば、第１デューティ１１の第１周波数も変化することはありうる。
また、第１デューティ１１と第２デューティ１２が組として繰り返される周期として５０Ｈｚを例にあげたが、他の周波数による周期でもよい。
【００４５】
また、第１周波数、第２周波数による組み合わせのみではなく、さらにＮ（Ｎ≧３）個の周波数を備えたＮ種類の周波数の組み合わせでもよい。
前記制御の最適な周波数は作動させる機械系の種類に応じて異なる。したがって、機械系の異なる特性の部品、構成要素が多くあれば、その種類に応じて、Ｎ（Ｎ≧３）個の周波数からなる第１デューティ〜第Ｎデューティを組み合わせて使用してもよい。
【００４６】
また、第２実施形態において、モータに流れる電流値が５％以下、５％超から１０％以下、１０％超から１５％未満、１５％以上によって、第１デューティ１１と第２デューティ１２との割合を変えていたが、以上の設定を変える電流値は他の値でもよい。それぞれのモータや電動パワーステアリング装置に適した所定の値を設定すればよい。
【００４７】
また、第２実施形態において、モータに流れる電流値が５％以下、５％超から１０％以下、１０％超から１５％未満、１５％以上において、第１デューティのパルスの本数を定めているが、別の本数に定めてもよい。それぞれのモータや電動パワーステアリング装置に適した所定の値を設定すればよい。
【００４８】
また、モータに流れる電流値が上昇していく場合と下降していく場合において、以上の設定を変える電流値の所定値が異なっていてもよい。それによって、設定値の境界において、より滑らかに制御が切換る可能性がある。
【００４９】
また、モータに流れる電流値が上昇していく場合と下降していく場合において、以上の第１デューティのパルスの本数が異なっていてもよい。それによって、設定値の境界において、より滑らかに制御が切換る可能性がある。
【００５０】
また、以上においては電動パワーステアリング装置のモータを例にとって説明したが、他の分野のモータのＰＷＭ制御に適用してもよい。
【００５１】
また、以上においては、電流が０で静止しているシステムの実施形態で説明したが、リニアソレノイドのように電流が流れている状態で静止するシステムにおいても、異なる周波数からなる第１デューティと第２デューティを用いた複合ＰＷＭによる電流制御を適用してもよい。
【００５２】
また、図５の回路図において、ＭＯＳＦＥＴのスイッチング素子でＨブリッジを構成した回路を示したが、直流電流の流れる方向を切換える必要のない用途においては、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１個をスイッチング素子として用い、ソレノイド（コイル）に流れる電流のオン・オフ（ＯＮ・ＯＦＦ）と電流量を制御してもよい。
また、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴではなくＰ型ＭＯＳＦＥＴを用いてもよい。ただし、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴを用いる場合は、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴを用いる場合の逆の極性の信号を用いる。つまり、図１または図６で示したＰＷＭ制御信号を反転させた信号を用いて制御する。
【００５３】
また、図５において、スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴを用いる例を示したが、スイッチング素子の機能を果たせばよいので、ＭＯＳＦＥＴ以外であってもよい。例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）や、ＢＪＴ（Bipolar Junction Transistor、バイポーラ接合型トランジスタ）、あるいは、他の適切なスイッチング素子を用いても良い。
【００５４】
（本発明、本実施形態の補足）
電動パワーステアリングシステムにおいては、滑らかな操舵性と、操舵時の切り始めの充分なアシスト力を確保する必要がある。
そのために、本システムは、ＰＷＭ制御の周波数をリップル電流の少ない第２周波数と、機械系が応答する第１周波数による２つの周波数との最低２つを用いて、電流制御を行う。
電気系の第２周波数によって形成される第２デューティによって、電流のリップルが減少し、細かく滑らかな操舵性と、低振動、低騒音が実現する。
また、機械系の第１周波数によって形成される第１デューティによって、操舵時の切り始めの充分なアシスト力が確保され、「張り付き感」が緩和する。
より具体的には、摩擦力の大きい機械（例えば同軸ＥＰＳ：Electric Power Steering、電動パワーステアリング）の動き出しを滑らかにする。
また、自動車においては、高速道路での修正舵、ハンドル中立位置からの切り出し等に効果がある。
以上、本発明の方式を電動パワーステアリングシステムに採用することにより、商品性と機能バランスのとれた性能を実現できる。
【符号の説明】
【００５５】
１１Ａ、１１Ｂ 第１デューティ
１２Ａ、１２Ｂ 第２デューティ
１３Ａ、１３Ｂ 周期
２１０ 第１パルス幅信号列
２１１ 第１パルス群
２１２ 合成パルス群
２２０ 第２パルス幅信号列
２２１ 第２パルス群
２５１ 第１選択信号
２５２ 第２選択信号
３１０、３２０ 第１入力端子
３１１、３１２、３２１ 出力
３３１、３３２ ＡＮＤ回路
３３３ ＯＲ回路
３３４ インバータ回路
３５１、３５２ 第２入力端子
５１ ソレノイド（コイル）
５２、５４ Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ
５３、５５ Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ
５６ 直流電源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被駆動体と、当該被駆動体を駆動するモータと、前記モータをＰＷＭ制御するモータ制御手段と、を備え、
前記ＰＷＭ制御の１周期の中に、
前記被駆動体の共振周波数に対応した周波数のパルス群からなる第１デューティと、
前記第１デューティのパルス群の周波数よりも高い周波数のパルス群からなる第２デューティと、
を有することを特徴とするＰＷＭ制御方法。
【請求項２】
前記モータ制御手段は、前記モータに流れる電流値に基づき、前記第１デューティと前記第２デューティの前記１周期における出現する比率を変更することを特徴とする請求項１に記載のＰＷＭ制御方法。
【請求項３】
前記電流値が大きくなるにつれ、前記第２デューティの前記１周期における出現する比率を大きくすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＰＷＭ制御方法。
【請求項４】
前記電流値が所定値以上の時には、前記第２デューティのみで駆動することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のＰＷＭ制御方法。
【請求項５】
前記電流値が所定値以下の時には、前記第１デューティのみで駆動することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のＰＷＭ制御方法。
【請求項６】
前記被駆動体は、電動パワーステアリング装置のギアボックスであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のＰＷＭ制御方法。
【請求項１】
被駆動体と、当該被駆動体を駆動するモータと、前記モータをＰＷＭ制御するモータ制御手段と、を備え、
前記ＰＷＭ制御の１周期の中に、
前記被駆動体の共振周波数に対応した周波数のパルス群からなる第１デューティと、
前記第１デューティのパルス群の周波数よりも高い周波数のパルス群からなる第２デューティと、
を有することを特徴とするＰＷＭ制御方法。
【請求項２】
前記モータ制御手段は、前記モータに流れる電流値に基づき、前記第１デューティと前記第２デューティの前記１周期における出現する比率を変更することを特徴とする請求項１に記載のＰＷＭ制御方法。
【請求項３】
前記電流値が大きくなるにつれ、前記第２デューティの前記１周期における出現する比率を大きくすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＰＷＭ制御方法。
【請求項４】
前記電流値が所定値以上の時には、前記第２デューティのみで駆動することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のＰＷＭ制御方法。
【請求項５】
前記電流値が所定値以下の時には、前記第１デューティのみで駆動することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のＰＷＭ制御方法。
【請求項６】
前記被駆動体は、電動パワーステアリング装置のギアボックスであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のＰＷＭ制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１６５５０３（Ｐ２０１２−１６５５０３Ａ）
【公開日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２２２１（Ｐ２０１１−２２２２１）
【出願日】平成２３年２月４日（２０１１．２．４）
【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２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月４日（２０１１．２．４）
【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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