JP2006081346A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 例えば車両の電動パワーステアリング制御に使用されるモータの制御装置は、その動作を監視して、異常が検知されたら遅滞なく制御を停止するなどの処置をしなければならない。しかし、従来の監視装置は検地に時間が掛かるとか、出力が出なくなる異常に対しては検知できないなどの課題があった。
【解決手段】 モータ２を駆動していない瞬間にもインバータ５２が出力波形を出力している略一定の動作周期を持つ三相インバータ回路５２を用いる。この出力波形の周期を監視するインバータ周期監視回路５５５を設ける。この周期が前記インバータの搬送波周期に比して、過大、または過小となつたとき、警報を出力すると共にインバータの制御を停止する。
【選択図】図１

Description

この発明はモータの制御装置に関し、特に車両のハンドルを補助駆動するためのモータの制御装置に関する。

以下の説明では、車両のステアリング装置に補助力を加える電動操舵装置を例として説明するが、本発明は操舵装置に限定されるものではなく、直流電源からインバータによって電動機を駆動する制御装置一般に適用することができる。
車両の電動パワーステアリング装置では、運転中にモータの制御装置（一般的にインバータが使用される）に異常が発生すると直ちに危険な状況に至ることが予測されるので、異常をできる限り早く、例えばインバータの１サイクル内に検出することが好ましい。
例えば、特許文献１の第１図と第３図（ｂ）には、インバータで駆動されるモータの端子電圧を監視して、また、第１図と第３図（ａ）にはモータを駆動するスイッチング素子の駆動信号を監視して、それらがモータを駆動している状態を所定時間以上継続すると、異常と判断してモータ駆動回路への給電を遮断するモータ制御装置が示されている。

特許文献１のものでは、駆動回路が出力しているときの出力状態を監視するので、出力していない状態は異常と判定されない。しかし、駆動回路が出力できない故障は故障のモードとしては比較的起こりやすいものであるから、これでは種々の故障を的確に捉えるものとは言えず、実際の役に立たないと言う課題があった。また、実際の運転中には駆動回路が相当の時間、継続して出力を出し続けるという場合も、例えば円形のテストコースを高速で走行する結果ハンドルに常時戻しトルクが生じるような場合などにあり、このような場合に誤動作しないようにするには、異常と判断する時間をある程度長くしておかなければならず、結果として異常の判定に長い時間が掛かってしまうという課題があった。
また、特許文献１に開示されたものは駆動回路が単相インバータである場合についてのみ開示されており、３相、あるいは多相インバータでも同様に有効であるとは言えないという課題があった。
特許第２５０１０３０号

従来のモータ制御装置は以上のように構成されているので、駆動装置からモータに出力が出ない形での故障の場合や、モータ内部またはモータへの配線の地絡、又は、短絡故障でモータ駆動回路の出力電圧がLレベルに固着する場合には異常検知ができないという課題があった。また、駆動回路が三相インバータである場合の対応方法は示されていないと言う課題があった。また、異常の判定に長時間掛かるという課題があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、駆動回路がほぼ一定周期で動作する３相インバータの場合であって、駆動装置からモータに出力が出ない形での故障の場合や、モータ内部またはモータへの配線の地絡、又は、短絡故障でモータ駆動回路の出力電圧がLレベルに固着する場合にも異常を検知できる監視回路を備えたモータの制御装置を得ることを目的とする。
また、異常の判定が例えばインバータの１周期程度の短い時間で可能となるモータ制御装置を得ることを目的とする。

この発明に係るモータ制御装置は、車両の電圧Ｈを有する直流電源に接続され、略一定の搬送波周期で所定の範囲の出力デューティ比に制御されたＰＷＭ動作を行うことにより、１周期の間に全ての出力相の電圧が同時に０または同時にHとなる期間が存在する３相以上の多相のインバータ、
前記インバータの出力電圧波形の周期を監視して、前記周期が前記搬送波周期に対して所定の倍率以上または所定倍率以下となったとき、上記インバータの故障と判断して信号を出力するインバータ周期監視回路、
前記信号により、前記車両を運転している運転者に警告を通知する警告回路を備えたものである。

この発明によれば、簡単な回路構成で、ＰＷＭ搬送波周期と同程度の時間内に三相インバータの異常やマイクロコントローラの異常を検出することができ、車両の安全性が向上する。

実施の形態１．
図1は、本発明の実施の形態１のモータ制御装置のブロック図である。モータ２は図示しない車両のステアリング装置に取り付けられ、この車両のバッテリ４から給電されるモータ制御装置（以下、コントローラと言う場合もある）１の出力端子に接続されている。モータ２はＤＣブラシレスモータである。また、モータ２の磁極の角度位置に応じた相を励磁するべくモータ２の回転子角度を検出する回転子角度センサ３から信号を受ける。ここで回転子角度センサ３は信号の供給源の例として示すものでありこれに限るものではない。
コントローラ１は外部からの信号を受けるインタフェース５１と、インターフェース５１の出力に基づいて制御を行う第１のマイクロコントローラ５６と、第１のマイクロコントローラ５６により制御されるゲート駆動回路５３と、ゲート駆動回路５３により制御されモータ２を駆動する三相インバータ回路５２と、三相インバータ５２へのバッテリ４からの給電を遮断するためのリレー等のスイッチ手段５４と、三相インバータ５２の出力電圧をピックアップして周期を計測可能な波形として第１のマイクロコントローラ５６に入力する出力電圧監視回路５５と、第1のマイクロコントローラ５６を含めた電動パワーステアリング装置の動作を監視／検証するための第２のマイクロコントローラ５７とを有している。ここでは例として三相インバータで説明するが、３相以上の多相のインバータであれば同じである。
第１、第２のマイクロコントローラ５６、５７は上述の各制御に加えて、ともに、インバータ周期監視回路５５の出力した波形の周期を自身のクロック信号周期に基づいて計測する。出力電圧監視回路５５と上述の第１、第２のマイクロコントローラ５６、５７の図示しない上述の周期計測回路と、異常が発見されたときその後の警報出力などの処理を行う部分とを含めてこの発明に言うインバータ周期監視回路５５５という。説明の都合上、バッテリ４の電圧はＨボルトであるとする。

三相インバータ回路５２はこの車両の図示しないエンジンキーがオンとなっている間は、ハンドルを回転させつつあるか否かに関係なく、またモータ２がトルクを出しているか否かに関わりなく常時電圧波形を出力している。
出力電圧監視回路５５は三相インバータ回路５２の出力端子Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３に接続されたコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３と、このコンデンサに接続されたバッファＢ１、Ｂ２、Ｂ３と、バッファＢ１、Ｂ２、Ｂ３の出力を受けるＡＮＤゲート５５Ａを有している。
ＡＮＤゲート５５Ａの出力は第１、第２のマイクロコントローラ５６、５７に入力される。
次に図１のモータ制御装置の動作について説明する。第１のマイクロコントローラ５６は、回転子角度センサ３による回転子角度信号に基づきゲート駆動回路５３に信号を出力して、バッテリ４から供給される直流電圧を三相インバータ回路５２により三相交流電圧に変換しモータ２に供給する制御を行っている。
三相インバータ回路５２のインバータ駆動方式は、いわゆる三角波比較のＰＷＭで各アームを構成する上下のスイッチング素子を相互に駆動するものである。各アームを駆動するデューティ比は０％近くの値にはならないよう、また、１００％近くの値にはならないように所定範囲に制限されている（例えば５％以上９５％以下に制御される）ので、結果として出力の値にかかわらず、１周期の間に各相電圧がすべてLまたはすべてHとなる期間が存在する。出力電圧監視回路５５のＡＮＤゲート５５Ａは各相電圧がすべてHとなると出力端子ＶＯにH（バッテリの電圧）を、それ以外ではL（ここでは０ボルト）を出力する。

図２は図１の出力電圧監視回路５５の動作を説明するための三相インバータ回路５２の出力波形図である。三相インバータ５２の出力相電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３がHとなる期間で出力電圧監視回路５５の出力電圧ＶＯがHとなっている。ＶＯの周期（例えばＶＯの立ち上がりエッジ間の時間）Ｔが三相インバータ回路５２のＰＷＭ搬送波周期（ｔとする）であり、前述の通りここではほぼ一定値である。第１のマイクロコントローラ５６は、出力電圧監視回路５５の出力の周期Ｔを図示しない内蔵のタイマ５６Ｘで計測し、Ｔが所定範囲内であれば正常と判断する。ここで言う所定範囲とは三相インバータ回路５２の搬送波周波数の周期ｔに対して、例えばその０．５倍〜２倍の範囲であればよい。
一方、モータ２への配線の途中などで出力地絡等の故障が発生、例えば図3に示すＶ２ラインに地絡が生じると、ＶＯはLレベル一定となり、Ｔは上記所定範囲から外れ（図３の場合はＶＯに信号が出力されない）、第1のマイクロコントローラ５６は異常と判断する。
三相インバータ５２の各出力端子は、出力電圧監視回路５５とコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３を介して交流結合されており、各相電圧がHで固着してもLで固着しても上記バッファＢ１又はＢ２又はＢ３への入力電圧はLレベルとなり、異常を検出することができる。

出力電圧監視回路５５が異常と判定すると、第1のマイクロコントローラ５６はスイッチ手段５４を開き、また、ゲート駆動回路５３を介して三相インバータ回路５２に出力遮断を指示する（あるいはゲート駆動回路５３への制御信号の出力を停止する）。また図示しない警報により運転者に異常を通知する。これにより、三相インバータ回路５２から何も出力が出ない種類の故障の場合にも異常の発生を知らずに運転を続けてしまうという危険を回避することができる。

一方、第２のマイクロコントローラ５７も、同様に出力電圧監視回路５５の信号ＶＯを受ける。この信号の周期を前述と同様に内部クロックの周期に基づいて計測し、予め定めた前述の倍率と比較して故障と判定すると、第１のマイクロコントローラ５６と同様にスイッチ手段５４を開き、三相インバータ５２への電源供給を遮断し出力を禁止する。スイッチ手段５４は第１のマイクロコントローラ５６の指示と第２のマイクロコントローラ５７の指示の論理積でＯＮ駆動されるように構成されているので（即ち両者が共にＯＮを指示しているときだけＯＮする）、第１のマイクロコントローラ５６がスイッチ手段５４をオン指示していても、第２のマイクロコントローラ５７がオフできる（この逆も同じ）。これにより、第１のマイクロコントローラ５６の暴走によるモータ２への異常な通電をも防止することができる。

なお、三相インバータ回路５２への給電を遮断する代りに、ゲート駆動回路５３の電源を遮断する構成としても類似の効果を得ることができる。三相インバータ回路５２の素子が短絡する故障の場合にはゲート駆動回路５３の電源遮断後も出力が出続けるので、その故障自体は別の検出手段によって検出することが必要となるものの、スイッチ手段５４として、より電流容量の小さい例えば半導体スイッチング素子を用いることができる。

さらにまた、三相インバータ５２の出力電圧を監視する代りに、ゲート駆動回路５２の出力や、第1のマイクロコントローラ５６の出力ポートを監視する構成としても類似の効果を得ることができる。ゲート駆動回路５３の出力や、第1のマイクロコントローラ５６の出力ポートに異常がなくてもインバータ出力に異常が生じる故障（例えば素子故障）では検出が困難となるものの、電力部を直接監視するよりも、よりノイズの少ない信号を監視することができ動作が安定する。

図１の説明では出力電圧監視回路５５の周期Ｔを第１のマイクロコントローラ５６の内部時計により監視する。しかし、例えば第1のマイクロコントローラが暴走した場合等には、ＰＷＭ周期ｔが短くなるが内部時計も同様に狂い、第１のマイクロコントローラ５６は異常を検出しない恐れがある。しかし、この場合でも第２のマイクロコントローラ５７は異常を検知するので、システム全体としては異常を検知することができる。このようにＰＷＭ周期をＰＷＭの周期を生成しているクロックそのものを基準に計測することと、ＰＷＭ周期をＰＷＭの周期を生成しているクロックとは異なる別のクロックを基準に計測することの２通りにすることでシステムの信頼性が高められている。
なお、車両の起動時（エンジンキーをオンした直後）には、三相インバータ回路５２が安定動作に入るまでの間に異常を検知してしまうことがないように、第１、第２のマイクロコントローラ５６、５７の監視シーケンスに待ち時間を設けるなどの配慮は、当然行われている。

実施の形態２．
図4は、この発明の実施の形態２のモータ制御装置のブロック図である。図１と同符号のものは同一又は相当部分を示すので詳細な説明を省略する。出力電圧監視回路５５０は三相インバータ回路５２の出力端子Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３に接続された同じ値の抵抗器（いずれもＲという）と、任意のバイアスを加える抵抗器Ｒ２と、これらの抵抗器に接続された第１、第２の比較器ＣＰ１、ＣＰ２と、比較器ＣＰ１、ＣＰ２の出力を受けるフリップフロップＦＦを含んでいる。
実施の形態１の図１の出力電圧監視回路５５と比べると、図４の出力電圧監視回路５５０は３つの抵抗器Ｒによってモータ２の給電線に直流結合している。

出力電圧監視回路５５０は、各相電圧を加算した電圧をコンパレータＣＰ１、ＣＰ２で監視する。即ち、各相電圧をＶ１、Ｖ２、Ｖ３、コンパレータＣＰ１、ＣＰ２への入力電圧をＶ４とし、
Ｖ_ＣＣは所定の定電圧で例えば電源電圧。
｛Ｒ１と（１／３）・Ｒとを並列接続した抵抗値｝をＺとして
Ｒ’＝Ｚ／｛Ｒ２＋Ｚ｝ ・・・（１）
｛Ｒ１とＲ２と（１／２）・Ｒとを並列接続した抵抗値｝をＹとして
Ｒ’’＝｛Ｙ｝／｛Ｒ＋Ｙ｝ ・・・（２）
とおけば、
Ｖ４＝Ｒ’Ｖ_ＣＣ＋Ｒ’’（Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３） ・・・（３）
となる。

上記Ｖ４はコンパレータで予め設定されたＶＴＨ１、ＶＴＨ２の電圧と比較され、波形整形された後、一つのコンパレータの出力はフリップフロップＦＦのセット端子Ｓに入力され、もう一つのコンパレータの出力はフリップフロップＦＦのリセット端子Ｒに入力される。ＶＴＨ１、ＶＴＨ２の電圧は図５、図６に示すようにＶ１、Ｖ２、Ｖ３を加算したＶ４の波形のピークを切り取るのに適当なレベルである。いうまでもなくこのレベルはバッテリ４の電圧に依存するので予め決定することができる。
正常な場合には、図５のＱに示すように、ＰＷＭ搬送波周期ＴでフリップフロップＦＦから立ち上がりエッジが得られ、上記実施の形態１と同様に周期が所定の範囲を逸脱するか否かにより故障判定することができる。一方、三相インバータ回路５２の出力側での地絡等の異常時には、図６に示す通り、ＶＯはＶＴＨ１、ＶＴＨ２いずれかのしきい値を超えなくなり、フリップフロップの出力は反転しないので異常を検出することができる。

以上の説明では、車両のハンドルの回転を補助するモータを例として説明したが、本発明のモータ制御装置はほぼ一定周期のインバータにより駆動するモータ制御装置で、各アームを駆動するデューティ比は０％近くの値にはならないよう、また、１００％近くの値にもならないように所定範囲に制限されていて、結果として出力の値にかかわらず、１周期の間に各相電圧がすべてLまたはすべてHとなる期間が存在するものであれば、車両に取り付けられるものに限らず全て使用することができる。

この発明の実施の形態1によるモータ制御装置のブロック図である。 図１のモータ制御装置の正常時の各部波形を示す図である。 図１のモータ制御装置の異常時の各部波形を示す図である。 この発明の実施の形態２によるモータ制御装置のブロック図である。 図４のモータ制御装置の正常時の各部波形を示す図である。 図４のモータ制御装置の異常時の各部波形を示す図である。

符号の説明

１ モータ制御装置、 ２ モータ、 ４ バッテリ、
５２ 三相インバータ回路、 ５３ ゲート駆動回路、 ５４ スイッチ手段、
５５ 出力電圧監視回路、 ５５Ａ ＡＮＤ回路、
５６ 第１のマイクロコントローラ、 ５６Ｘ、５７Ｘ タイマー、
５７ 第２のマイクロコントローラ、 ５５０ 出力電圧監視回路、
５５５ インバータ周期監視回路、
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３ コンデンサ、 Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３ バッファ、
ＦＦ フリップフロップ回路、 ＣＰ１ 第１の比較器 ＣＰ２ 第２の比較器。

Claims (14)

1. 車両の電圧Ｈを有する直流電源に接続され、略一定の搬送波周期で所定の範囲の出力デューティ比に制御されたＰＷＭ動作を行うことにより、１周期の間に全ての出力相の電圧が同時に０または同時にHとなる期間が存在する３相以上の多相のインバータ、
   前記インバータの出力電圧波形の周期を監視して、前記周期が前記搬送波周期に対して所定の倍率以上または所定倍率以下となったとき、上記インバータの故障と判断して信号を出力するインバータ周期監視回路、
   前記信号により、前記車両を運転している運転者に警告を通知する警告回路を備えたことを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記インバータ周期監視回路は前記多相の全ての出力が前記Ｈとなる状態が繰り返される周期を監視することを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記インバータ周期監視回路は前記多相の全ての出力が０となる状態が繰り返される周期を監視することを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
4. 前記インバータは前記ＰＷＭの搬送波周期を生成するクロックを有し、前記インバータ周期監視回路は、前記インバータの周期を前記クロックを基準に計測することを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
5. 前記インバータは前記ＰＷＭの搬送波周期を生成するクロックを有し、前記インバータ周期監視回路は、前記インバータの周期を前記クロックの周期とは異なる周期を持った別のクロックを基準に計測することを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
6. 前記インバータ周期監視回路は、前記インバータの複数の交流出力端子のそれぞれに一端が接続された複数のコンデンサ、前記複数のコンデンサの他端に接続され前記交流端子全ての電圧が前記Ｈであるとき信号を出力する論理積回路、前記論理積回路の出力の周期を測定する周期測定回路を含むことを特徴とする請求項２に記載のモータ制御装置。
7. 前記インバータ周期監視回路は、前記インバータの複数の交流出力端子のそれぞれに一端が接続された複数のコンデンサ、前記複数のコンデンサの他端に接続され前記交流端子全ての電圧が０であるとき信号を出力する論理積回路、前記論理積回路の出力の周期を測定する周期測定回路を含むことを特徴とする請求項３に記載のモータ制御装置。
8. 前記インバータ周期監視回路は、前記インバータの複数の交流出力端子のそれぞれに一端が接続された複数の抵抗器、前記複数の抵抗器の他端に接続され前記交流端子全ての電圧が前記Ｈであるとき信号を出力する論理積回路、前記論理積回路の出力の周期を測定する周期測定回路を含むことを特徴とする請求項２に記載のモータ制御装置。
9. 前記インバータ周期監視回路は、前記インバータの複数の交流出力端子のそれぞれに一端が接続された複数の抵抗器、前記複数の抵抗器の他端に接続され前記交流端子全ての電圧が０であるとき信号を出力する論理積回路、前記論理積回路の出力の周期を測定する周期測定回路を含むことを特徴とする請求項３に記載のモータ制御装置。
10. 前記インバータ周期監視回路は、前記インバータに制御信号を供給すると共に前記インバータの周期を自身のクロック信号の周期を基準に計測する第１のマイクロコントローラと、
    前記インバータの周期を自身のクロック信号の周期を基準に計測する第２のマイクロコントローラとを含むことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
11. 前記第１または第２のマイクロコントローラの少なくとも一方が前記インバータの出力電圧の周期が異常であると判定したとき、前記第１のマイクロコントローラは前記インバータの制御を停止するように構成したことを特徴とする請求項１０に記載のモータ制御装置。
12. 前記直流電源と前記インバータとの間に接続され、前記第１または第２のマイクロコントローラの少なくとも一方が前記インバータの出力電圧の周期が異常であると判定したとき、前記インバータへの給電を停止するスイッチ手段を備えたことを特徴とする請求項１０に記載のモータ制御装置。
13. 前記デューティ比は５％以上、９５％以下であることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
14. 前記周期の所定の倍率は、前記インバータの搬送波周期の０．５倍以上２倍以下であることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。

Images