JP2008067429A - モータの制御装置および電動ブレーキ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータ駆動装置としてインバータを用いた装置において、スイッチング素子の追加なしに、モータ欠相時に継続運転を可能とする。特に電動ブレーキ装置において、より高い安全性を確保する。
【解決手段】１相のモータ巻線に欠相が生じた時、モータ回転子の位置を考慮しながら、残る正常相に、通電することで、モータのトルクを発生させる。欠相時でもモータトルクを継続して発生させることができるので、電動ブレーキ装置等において装置の信頼性が向上する。
【選択図】図３

Description

本発明は、モータ駆動装置の異常時の制御に係り、特に電動モータによってブレーキ力を発生させるようにした電動ブレーキ装置に好適なモータ駆動装置に関する。

ブレーキ装置にモータを設け、モータの回転出力を軸方向の押付力に変換することにより、摩擦パッドを介して自動車等の回転ディスクに制動力を付与する構成の電動ブレーキ装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

このような電動ブレーキ装置において、モータあるいはモータ駆動装置が欠相で故障した場合、モータトルクが失効する可能性がある。自動車におけるブレーキは重要保安部品であり、装置故障時には段階的な機能低減が必要になるが、従来の電動ブレーキ装置においては、制動力のもととなるモータトルクが失効した場合、段階的な機能低減は困難である。

尚、モータ、及びモータ駆動装置の欠相対策としては、３相モータ駆動装置としてサイクロコンバータを使用し、モータ欠相が１相発生した場合、残る２相に電流を流すことで、モータに回転磁界を発生させるものが知られている（例えば特許文献２参照）。

また、モータ駆動装置にインバータを使用し、欠相していない残り２相へ独立通電するため、３相モータ固定子の中性点に別個の１相分のスイッチング素子を接続し、各相への独立通電を可能にするものが知られている（例えば特許文献３参照）。

特開平１１−２５７３８９号公報 特開昭５５−１１１６９１号公報 特開平６−２８０５８７号公報

モータの各巻線に独立して通電できるサイクロコンバータに対し、インバータは２個のスイッチング素子で１相分を構成し、３相分の素子でモータに通電する。従って、上記のサイクロコンバータの技術をインバータに適用しようとしても、各相に対し独立した通電ができないため、モータ欠相時に回転磁界を発生させることはできない。

しかしながら、３相モータ固定子の中性点に別個の１相分のスイッチング素子を接続する上記技術は、予備のスイッチング素子を用意し、モータとインバータ間の接続線が増加するので、装置サイズが増大し、装置価格が上昇する。

そこで本発明は、モータ駆動装置としてインバータを用いた装置において、スイッチング素子の追加なしに、モータ欠相時に継続運転を可能にすることである。

本発明は、３相のうち１相に欠相が生じたとき、回転子の回転方向及び正常な他の２相の電流値に基づき、回転を継続するための正常な２相へのスイッチング信号を演算して出力するものである。

本発明により、モータ駆動装置としてインバータを用いた装置において、スイッチング素子の追加なしに、モータ欠相時に継続運転が可能になり、これを用いた電動ブレーキ装置においては、より高い安全性を得ることができる。

以下、モータで制動力制御を行う電動ブレーキ装置を例として説明するが、電動ブレーキ装置に限られるものではなく、３相同期モータを駆動するモータ駆動装置全般に適用できる。

図１は、本発明の一実施形態をなす電動ブレーキ装置のシステム概略図を示す。

電動ブレーキ装置３０は、例えば永久磁石ブラシレスモータからなるモータ２０の回転力をピストンの押付力に変換してディスクロータ４０を押付ける装置であり、モータ２０にはモータ駆動装置１０が一体に取り付けられている。バッテリ８０は各モータ駆動装置１０とブレーキ制御装置５０に電源を供給している。

運転者がブレーキペダル７０を踏むと、ブレーキセンサ６０が運転者の要求制動力を読み取り、ブレーキ制御装置５０へ運転者の要求性動力を伝達する。ブレーキ制御装置５０は、運転者の要求制動力から、各ブレーキ装置の制動力指令値を演算し、各ブレーキ装置のモータ駆動装置１０へ伝達する。モータ駆動装置１０は制動力指令値に従い、モータ２０に適切な駆動電圧を供給する。駆動電圧は、例えば、パルス幅変調された３相交流電圧である。モータ２０に駆動電圧が加わることにより、モータ２０が回転し、モータ回転力がピストンの押付力に変換され（図示せず）、ブレーキパッドを介して、ディスクロータ４０を押し付ける。

図２は、図１の電動ブレーキ装置の回路構成図を示す。

モータ駆動装置１０は、２個のスイッチング素子を１相分とした、３相分のスイッチング素子からなる電力変換回路と、前記スイッチング素子を駆動するドライバＩＣ９０と、ドライバＩＣ９０へスイッチング素子のオンオフ指令を伝達する演算回路１００からなる。図２において、スイッチング素子はＭＯＳＦＥＴを示しているが、ＩＧＢＴとダイオードの組み合わせとしても構わない。

演算回路１００は、ブレーキ制御装置５０からの制動力指令値に加え、電力変換回路からモータ２０への接続線に設けた電流センサ２００からの信号から求められる電力変換回路の出力電流や、４０への押付力、さらに、モータ２０の回転子１０１の磁極位置を検出する位置センサ１１１〜１１３からのモータ回転子の磁極位置情報から、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のオンオフタイミングを演算し、ドライバＩＣ９０を経由して、Ｓ１〜Ｓ６のオンオフを制御する。

演算回路１００では、たとえば、指令電流値とセンサ電流値の偏差から、モータ巻線が断線する欠相状態を検出し、制御部は３相駆動制御から、３相通電制御に切り替わる。

図３は、本発明の一実施形態をなすモータ欠相時の通電状況説明図を示す。

横軸は時間を示し、時間ｔ０からｔ１までは、通常運転を示している。回転子の磁石が発する磁界強度の変動から固定子の巻線に発生する１２０度位相差をもつ正弦波状の誘起電圧の位相に合わせながら、インバータから固定子巻線へ３相正弦波電流を通電させることで、各相毎に周期的な駆動トルクを発生させ、総合トルクを一定に保ち、モータの一定回転を維持している。誘起電圧の位相は磁極位置検出手段からの信号から算出することができる。磁極位置検出手段は、レゾルバやホール素子など手段は選ばない。

時間ｔ１でモータ巻線の断線等によるＷ相に欠相が発生した場合、Ｗ相電流Ｉｗは速やかに０になる。Ｉｗ電流は０になるが、残るＵ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖが０になる前に２相通電を開始するのが望ましい。そこで、時間ｔ２で２相通電を開始する。このとき、Ｕ相の誘起電圧Ｅｕは０近くになるのに対し、Ｖ相の誘起電圧Ｅｖは比較的大きく発生しつつある。そこで、Ｖ相電流を時間ｔ２から、Ｖ相の誘起電圧の位相にあわせながら通電させることで、Ｖ相トルクＴｖが発生する。

一方、Ｕ相電流Ｉｕは、Ｉｕ＝−Ｉｖの関係、すなわちＶ相とは逆位相で通電されることになり、Ｕ相誘起電圧Ｅｕとは位相は一致しない。従って、時間ｔ２以降のＵ相トルクＴｕは一部マイナストルクを発生させる。この結果、総合トルクＴａは３相通電のときと異なり、脈動を持つトルク波形になるが、この脈動のあるトルクが十分モータ負荷を駆動できる大きさならば、モータ回転を続けることができ、モータ欠相時にも制動力がゼロになることなく、電動ブレーキ装置を継続動作させることができる。

図４は、本発明の他の実施形態をなすモータ欠相時の通電状況説明図を示す。

図３との違いは、総合トルクにマイナストルクを発生させることを抑制していることである。時間ｔ２においてＶ相の誘起電圧位相Ｅｖにあわせて２相通電することは同様である。しかし、完全にＶ相誘起電圧位相Ｅｖにあわせるのではなく、Ｕ相誘起電圧ＥｕとＶ相誘起電圧Ｅｖの値が一致する時間ｔ３に相当する位相をあらかじめ磁極位置センサの信号から予測し、電流のゼロクロス点を時間ｔ３の位相に合わせながら通電する。誘起電圧のクロスポイントと電流のクロスポイントを一致させることで、総合トルクのマイナストルク分を抑制することが出来る。

図５は、本発明の他の実施形態をなすモータ欠相時の通電状況説明図を示す。

本実施例は、Ｕ相の誘起電圧ＥｕとＶ相の誘起電圧Ｅｖの符号は正負に分かれているときのみ２相間に通電制御する。さらに、電流波形を矩形波上にすることで、バッテリ電圧を効率よく印加し、モータトルクを最大限まで発生させることができる。また、Ｕ相の誘起電圧ＥｕとＶ相の誘起電圧Ｅｖの符号が一致しているときは電流を通電することは無いので、モータトルクにマイナストルクが発生することは無い。

図６は、本発明の他の実施形態をなす電動ブレーキ装置の回路構成図を示す。

本実施例では、モータ巻線とモータ駆動装置間に開閉装置２１０を設ける。モータの欠相は断線とは限らず、短絡の場合もある。したがって、Ｗ相が欠相と判断された場合、開閉装置２１０の内Ｒｗを開放することで確実にＷ相を電気的に開放できる。したがって、間違いなく他の正常な２相間に通電制御することが出来る。

また、スイッチング回路の故障に対応するため、スイッチング素子に直列に開閉装置を設けて、スイッチング素子の故障時に当該素子と直列に接続した開閉装置を開放することで確実に当該相のスイッチング素子を電気的に開放することが出来る。

開閉装置はスイッチング素子より十分抵抗値が小さい装置を用いるのが望ましい。

開閉装置は機械式リレーや、オン時の損失の小さい半導体素子を用いても良い。

図７は、本発明の一実施形態をなす電動ブレーキ装置の断面図を示す。

電動ブレーキキャリパ３０は、ＰＫＢ（パーキングブレーキ）機構３００を内蔵する。モータ２０を駆動することで、ピストン３１０に押し付け力が発生し、ピストンの先についたブレーキパッド３２１、３２２がブレーキロータ（図示しない）に押し付けられ制動力を発生する。ＰＫＢ機構３００はブレーキパッド３２１、３２２がブレーキロータと接触し最低限の押し付け量を得られたとき、ロック機構３０１（例えば図のように歯車をツメで固定し、電気的エネルギーがなくても回転子またはピストン、或いはブレーキパッドの位置が固定されるもの）によってパーキングブレーキを働かせるものである。従って、ＰＫＢ機構３００を働かせるために、モータ駆動装置の最大出力を求められることは無い。したがって、モータ欠相時でも、最低限のモータトルクを発生させることでＰＫＢ機構の有効位置にピストンを移動させることは可能である。

図８は、図７におけるモータ欠相時のＰＫＢ機構の動作フローチャートを示す。ステップＳ１においてＰＫＢ作動が要求された場合、モータ欠相の有無をステップＳ２にて確認する。ここで、モータ欠相有りと判定された場合、ステップＳ３にて２相通電モードに切り替え、ステップＳ４にてモータを駆動しモータを前進させる。ステップＳ５にてモータが規定値まで回転したこと、すなわち、例えばピストンおよびブレーキパッドが制動力を発生させるに十分な位置に移動したことを確認後、ステップＳ６にてＰＫＢ機構を動作させる。その後、ステップＳ７にてモータ通電を停止し、自動車を完全に停止させることになる。

このようなモータ機動装置をＰＫＢ装置を含む電動ブレーキ装置に組み込むことで、電動ブレーキ装置のモータが欠相した場合でも、２相通電動作を用いて、ＰＫＢ機構を働かせ、安全に自動車を停止させることが出来る。

このように、モータ欠相時に、残る正常相にモータ回転子位置を考慮しながら通電制御することにより、モータトルクをゼロにすることなく、モータトルクを発生させることが出来るので、電動ブレーキ装置等においてモータ欠相時でも制動力を発生し、装置の信頼性を向上するのに寄与できる。

本発明の一実施形態をなす電動ブレーキ装置のシステム概略図を示す。 図１の電動ブレーキ装置の回路構成図を示す。 本発明の一実施形態をなすモータ欠相時の通電状況説明図である。 本発明の他の実施形態をなすモータ欠相時の通電状況説明図を示す。 本発明の他の実施形態をなすモータ欠相時の通電状況説明図を示す。 本発明の他の実施形態をなす電動ブレーキ装置の回路構成図を示す。 本発明の一実施形態をなす電動ブレーキ装置の断面図を示す。 図７におけるモータ欠相時のＰＫＢ機構の動作フローチャートを示す。

符号の説明

１０…モータ駆動装置、２０…永久磁石ブラシレスモータ、３０…電動ブレーキキャリパ、４０…ディスクロータ、５０…ブレーキ制御装置、６０…ブレーキセンサ、７０…ブレーキペダル、８０…バッテリ、９０…ドライバＩＣ、１００…演算装置、１０１…モータ回転子、１１１〜１１３…位置センサ、１２０…圧力センサ、２００…電流センサ、２１０…開閉装置、３００…ＰＫＢ機構、３１０…ピストン、３２１、３２２…ブレーキパッド。

Claims (10)

1. ３相巻線を有する固定子及び永久磁石を有する回転子より構成された同期モータの制御装置であって、
   前記回転子の磁極位置を検出する磁極位置検出器と、
   前記３相巻線への通電を行う複数のスイッチング素子からなる３相スイッチング回路と、
   前記３相のうち１相に欠相が生じたとき、前記回転子の回転方向及び正常な他の２相の電流値に基づき、同期モータの回転を継続するための当該正常な２相へのスイッチング信号を演算し出力する演算回路と、
   を有するモータの制御装置。
2. 請求項１記載のモータの制御装置であって、
   前記演算回路は、指令電流値とセンサ電流値の偏差から欠相が生じたことを判定するモータの制御装置。
3. 請求項１記載のモータの制御装置であって、
   前記演算回路は、前記正常な２相のうち誘起電圧が高い相については当該誘起電圧の位相に合わせながら通電させるとともに、誘起電圧が低い相については前記誘起電圧が高い相とは逆相の通電制御を行うモータの制御装置。
4. 請求項１記載のモータの制御装置であって、
   前記演算回路は、発生トルクが最大になるように前記正常な２相の通電制御を行うモータの制御装置。
5. 請求項１記載のモータの制御装置であって、
   前記演算回路は、前記回転方向と反対のトルクを発生させない位相に通電制御を行うモータの制御装置。
6. 請求項１記載のモータの制御装置であって、
   前記演算回路は、マイナストルクの発生を抑制するように通電制御を行うモータの制御装置。
7. 請求項１記載のモータの制御装置であって、
   前記演算回路は、３相通電から２相通電に切り替えるとき、前記磁極位置検出器からの信号に基づき、誘起電圧を推定し、どちらの相を基準に制御するか決定するモータの制御装置。
8. 請求項１記載のモータの制御装置であって、
   前記スイッチング素子が短絡した場合に、故障相の回路を開放する手段を有するモータの制御装置。
9. ３相巻線を有する固定子及び永久磁石を有する回転子より構成された同期モータによりピストンを移動させ、当該ピストンの押し付け力により制動力を発生させる電動ブレーキ装置であって、
   前記回転子の磁極位置を検出する磁極位置検出器と、
   前記３相巻線への通電を行う複数のスイッチング素子からなる３相スイッチング回路と、
   前記３相のうち１相に欠相が生じたとき、前記回転子の回転方向及び正常な他の２相の電流値に基づき、同期モータの回転を継続するための当該正常な２相へのスイッチング信号を演算し出力する演算回路と、
   を有する電動ブレーキ装置。
10. 請求項９に記載の電動ブレーキ装置であって、
    ロック機構を有するパーキングブレーキ機構を有し、
    前記演算回路は、パーキングブレーキ機構の作動時に前記欠相を検出した場合、前記磁極位置検出器により前記同期モータが所定値まで回転した後に、前記ロック機構を作動させるように信号を出力する電動ブレーキ装置。
    

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