JP2009095170A - 回転電機装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成でかつトルクリップルが少ないオープン故障対応が可能な回転電機装置を提供すること。
【解決手段】星形結線を備える多相モータにて、多相モータを駆動するインバータ２の高電位端と中性点1aを接続する第１スイッチ（上アーム短絡スイッチ）６と、インバータ２の低電位端と中性点1aを接続する第２スイッチ（下アーム短絡スイッチ）７とを設ける。インバータ２の上アームのスイッチング素子のオープン故障時には第１スイッチ（上アーム短絡スイッチ）６をオンし、インバータ２の下アームのスイッチング素子のオープン故障時には第２スイッチ（下アーム短絡スイッチ）７をオンし、それぞれ半波駆動モードでインバータ２を運転する。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータを構成するスイッチング素子のオープン故障に好適に対応可能な回転電機装置に関する。本発明の回転電機装置は、たとえば自動車用の電動パワーステアリングシステム用の駆動モータ、ハイブリッドシステム用の駆動モータ、電動コンプレッサ用の駆動モータなどに好適に適用され得る。

星形結線された多相の相巻線により構成された多相ステータコイルを有する多相モータを多相のインバータにより駆動する交流モータ装置が自動車用途やその他の用途に広範に使用されている。インバータの上アーム側スイッチング素子や下アーム側スイッチング素子としては、IGBTやMOSTなどのパワー半導体スイッチング素子が採用されるのが通常であるが、装置信頼性向上のためにこれらパワー半導体スイッチング素子のオープン故障に対する対策が望まれる。

この問題に鑑み、下記の特許文献１は、たとえば自動車用電動パワーステアリング装置のモータに故障が発生した場合に、モータの中性点及び３相端子にそれぞれリレーを設け、故障した相のリレーを遮断し、中性点のリレーを導通させていわゆる２相駆動を行うことを提案している。しかしながら、３相駆動モータを２相駆動すると回転ムラやトルク変動が顕著になり、運転しづらいという問題があった。更に、回路構成が複雑となるため製造費用や装置の車両搭載性が悪化するという不具合もあった。
特開２００７−０９９０６６

（発明の目的）
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、回路構成の複雑化を抑止しつつインバータのスイッチング素子のオープン故障に対して好適に対応可能な回転電機装置を提供することをその目的としている。

（発明の要約）
上記目的を実現する本発明の回転電機装置は、星形結線されたステータコイルを有する多相モータと、上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子とを相ごとに直列接続して構成されて多相モータを駆動する多相のインバータと、インバータに電力を供給する直流電源とを備える回転電機装置において、ステータコイルの中性点と直流電源の正極とを接続する第１スイッチと、ステータコイルの中性点と直流電源の負極とを接続する第２スイッチとの少なくとも一方と、これらのスイッチを開閉して多相モータの全波駆動モードと半波駆動モードとを切り替える制御回路とを備えることをその特徴としている。

すなわち、この発明では、星形結線された多相ステータコイルの中性点と直流電源の正極（高電位側端子）とを短絡する上アーム短絡スイッチである第１スイッチと、中性点と直流電源の負極（低電位側端子）とを短絡する下アーム短絡スイッチである第２スイッチとの少なくとも一つを設け、前記スイッチの開閉により、多相モータの全波駆動モードでの運転と半波駆動モードでの運転とを切り替える。

なお、ここで言う全波駆動モードとは、インバータの各相の上アーム側スイッチング素子及び下アーム側スイッチング素子のすべてを駆動する通常のインバータ駆動方式を意味し、半波駆動モードとは、インバータの各相の上アーム側スイッチング素子のすべてを遮断して各相の下アーム側スイッチング素子のスイッチングのみでモータを駆動するモード（下アーム半波駆動モードとも言う）と、インバータの各相の下アーム側スイッチング素子のすべてを遮断して各相の上アーム側スイッチング素子のスイッチングのみでモータを駆動するモード（上アーム半波駆動モードとも言う）との少なくとも一つを意味する。

このようにすれば、全波駆動モードの他に、上アーム半波駆動モードと下アーム半波駆動モードの少なくともどちらかとを必要に応じて選択実施することができるため、たとえばインバータの上アーム側スイッチング素子のオープン故障時や、インバータの下アーム側スイッチング素子のオープン故障時に、半波駆動モードを採用するなどの対策を実行することができるので、回路構成の複雑化を回避しつつ状況に応じて適切なモータ運転モードを実行することが可能となる。

好適態様において、第１スイッチを有し、制御回路は、各相の前記上アーム側スイッチング素子の少なくとも一つがオープン故障したと判定した場合に各相の上アーム側スイッチング素子を遮断し、第１スイッチを導通させ、各相の下アーム側スイッチング素子を断続制御してインバータを半波駆動モードで駆動する。すなわち、上記で言う下アーム半波駆動モードを実行する。これにより、回路構成の複雑化を回避しつつインバータの上アーム側スイッチング素子のオープン故障が発生してもモータ運転を円滑に持続させることができる。

好適態様において、第２スイッチを有し、制御回路は、各相の下アーム側スイッチング素子の少なくとも一つがオープン故障したと判定した場合に各相の下アーム側スイッチング素子を遮断し、第２スイッチを導通させ、各相の上アーム側スイッチング素子を断続制御してインバータを半波駆動モードで駆動する。すなわち、上記で言う上アーム半波駆動モードを実行する。これにより、回路構成の複雑化を回避しつつインバータの下アーム側スイッチング素子のオープン故障が発生してもモータ運転を円滑に持続させることができる。

好適態様において、上アーム側スイッチング素子のオープン故障時には上記した下アーム半波駆動モードを実行し、下アーム側スイッチング素子のオープン故障時には上記した上アーム半波駆動モードを実行する。これにより、回路構成の複雑化を回避しつつインバータの下アーム側スイッチング素子又は上アーム側スイッチング素子のオープン故障が発生してもモータ運転を円滑に持続させることができる。

上記した本発明又は好適態様の半波駆動モードにおいては、交流電圧振幅は小さくなるものの、各相間の電流アンバランスは２相駆動に比べて大幅に改善されるため、トルクリップルを低減することが可能となる。

好適態様において、半波駆動モードは、ステータコイルの各相巻線に導通期間が電気角１２０度以上１８０度以下である矩形波電圧を印加する運転モードである。このように制御すれば、モータシステムが必要な電流だけを流すことができるので、電源に負担をかけることがなくなる。

好適態様において、制御回路は、半波駆動モードにおいて電流フィードバック方式のＰＷＭ制御を前記導通期間に行う。このように制御すればトルクリップルを一層抑制することができる。

好適態様において、電流フィードバック方式のＰＷＭ制御は、各相の転流帰還期間において各相電流の総和を一定値に収束させる制御からなる。このように制御すればトルクリップルを一層抑制することができる。

好適態様において、制御回路は、全波駆動モードにおいて第１、第２スイッチの両方を遮断し、インバータにベクトル制御を行わせる。このように制御することで、モータシステムが正常な場合はトルクリップルも小さく極めてなめらかな駆動ができる。

好適態様において、第１、第２スイッチは双方向導通可能な半導体デバイスからなる。このように半導体デバイスで構成することでスイッチの断続速度が格段に向上し異常時の処置に素早く移行することが可能となる。また、第１、第２スイッチを双方向導通可能なデバイスとしたので、たとえば車輪駆動用のモータのように回生ブレーキを必要とする場合にこの双方向導通デバイスを介してバッテリで回生充電することが可能となる。

好適態様において、インバータを構成する各スイッチング素子は、電流検出機能付きの半導体デバイスにより構成される。このように構成することでインバータの各スイッチング素子の故障状態を専用のセンサを用いることなく検出することが可能となる。たとえば、ある素子を導通するようなゲート信号を与えているのに素子の電流が検出できない場合にはオープン故障、ある素子を遮断するようなゲート信号を与えているのに電流が検出できる場合はショート故障と判定できる。具体的にはパワーＭＯSＦＥＴチップに電流検出用ＭＯSＦＥＴを集積することにより容易に製作することが可能となる。

以下、本発明の回転電機装置を車両用モータに適用した好適な実施形態を図面を参照して具体的に説明する。

（実施形態１）
図１は実施形態１を示す回転電機装置の回路図である。

（回路構成）
１はY結線された３相モータのステータコイル、２はステータコイルに３相交流電力を供給する３相のインバータ、３はインバータ２の入力直流電圧を平滑化するための平滑コンデンサ、５はインバータ２に直流電力を供給するバッテリ（直流電源）、４はインバータ２とバッテリ５との間の接続を開閉するリレー、６はステータコイル１の中性点１ａとインバータ２の高電位端との接続を開閉する第１スイッチ、７はステータコイル１の中性点１ａとインバータ２の低電位端との接続を開閉する第２スイッチ、８はインバータ２及び第１、第２スイッチ、リレー４を制御する制御回路である。１１はステータコイル１のU相コイル、１２はステータコイル１のV相コイル、１３はステータコイル１のW相コイルである。

インバータ２は、３つの上アーム側スイッチング素子と、３つの下アーム側スイッチング素子とを有しており、この実施形態では、各スイッチング素子はMOSFETにより構成されている。周知のように、インバータ２のU相アームはU相上アーム側スイッチング素子とU相下アーム側スイッチング素子とを直列接続して構成され、インバータ２のV相アームはV相上アーム側スイッチング素子とV相下アーム側スイッチング素子とを直列接続して構成され、インバータ２のW相アームはW相上アーム側スイッチング素子とW相下アーム側スイッチング素子とを直列接続して構成されている。各スイッチング素子のフライホイルダイオードはＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードを用いている。各スイッチング素子をIGBTと逆並列接続ダイオードのペアで構成してもよいことは当然である。インバータ２の回路構成及びインバータ２による三相モータの駆動方式（たとえば１２０度通電方式、１８０度通電方式、ＰＷＭ制御正弦波通電方式など）についてはもはや良く知られているため説明を省略する。

通常のモータ駆動装置とは異なる図１の回路の特徴は、中性点１ａをインバータ２の高電位端に短絡する第１スイッチ（上アーム短絡スイッチ）６と、中性点１ａをインバータ２の低電位端に短絡する第２スイッチ（上アーム短絡スイッチ）７とを設けた点にある。

（動作説明）
図２を参照して図１の回路動作を説明する。図２は、制御回路８に内蔵されたマイクロコンピュータの動作を示すフローチャートである。なお、この実施形態では、インバータ２の各スイッチング素子をなすＭＯＳＦＥＴの電流検出のために、図５に示す電流検出端子付きＭＯＳＦＥＴを用いる。電流検出端子付きＭＯＳＦＥＴは周知のため説明を省略する。もちろん、電流検出端子付きＭＯＳＦＥＴの代わりに外付けの電流検出回路を用いても良い。

制御回路８に電源が投入されると、システムメインリレーであるリレー４がオンされ（S2）、バッテリ５からインバータ２に直流電圧が印加される。

次に、インバータ２の各スイッチング素子の少なくとも一つがショート故障していないかを判定する（S6）。この判定は具体的には次のように行う。インバータ２の各スイッチング素子の一つにそれを遮断させるゲート信号を発信してそれを遮断状態とし、このときにこのスイッチング素子の電流値が所定しきい値を超えたかどうかを判定し、超えた場合にこのスイッチング素子はショート故障と判定する。この判定をすべてスイッチング素子に対して時間順次に行う。

ステップS6にて、ショート故障が検出されたら、リレー４を遮断し（S14）、運転者に警報を発令し（S16）、システムを停止させる（S18）。ステップS6にてすべてのパワー素子がショート故障でなかった場合には、インバータ２の各上アームのスイッチング素子がオープン故障していないかを判定する（S8）。この判定は具体的には次のように行う。インバータ２の上アームの各スイッチング素子の一つにそれを遮断させるゲート信号を発信してそれを導通状態とし、このときにこの上アームのスイッチング素子の電流値が所定しきい値未満であればこの上アームのスイッチング素子はオープン故障と判定する。この判定をすべての上アームのスイッチング素子に対して時間順次に行う。

ステップS8にて、どれかの上アームのスイッチング素子がオープン故障であると判定した場合には、すべての上アームのスイッチング素子を遮断し（S20）、第１スイッチ６を導通させる。その後、ステップS28に進んで、下アーム半波駆動モードを実行する。更に説明すると、インバータ２のすべての上アームのスイッチング素子をオフし、インバータ２の下アームのスイッチング素子の断続と第１スイッチ６の導通とにより３相モータを３相の半波駆動モードで動作させる。

この下アーム半波駆動モード状態を図３に示す回路図を参照して説明する。バッテリ５の正極端子は第１スイッチ６を通じて中性点１ａに接続される。図示しない磁極位置センサにより検出された磁極位置に応じて３相の下アームのスイッチング素子の開閉を制御する。矩形波電圧がステータコイル１の各相コイルに印加されて下アーム半波駆動動作が実施される。この実施形態では、３相の下アームのスイッチング素子の導通期間は、電気角で１２０度以上１８０度以下になるように制御されるが、この制御自体は周知事項であるため更なる詳細説明は省略される。

ステップS8にて、すべての上アームのスイッチング素子にオープン故障が検出できなかった場合には、インバータ２の各下アームのスイッチング素子がオープン故障していないかを判定する（S10）。この判定は具体的には次のように行う。インバータ２の下アームの各スイッチング素子の一つにそれを遮断させるゲート信号を発信してそれを導通状態とし、このときにこの下アームのスイッチング素子の電流値が所定しきい値未満であればこの下アームのスイッチング素子はオープン故障と判定する。この判定をすべての下アームのスイッチング素子に対して時間順次に行う。

ステップS10にて、どれかの下アームのスイッチング素子がオープン故障であると判定した場合には、すべての下アームのスイッチング素子を遮断し（S24）、第２スイッチ７を導通させる。その後、ステップS28に進んで、上アーム半波駆動モードを実行する。更に説明すると、インバータ２のすべての下アームのスイッチング素子をオフし、インバータ２の上アームのスイッチング素子の断続と第２スイッチ７の導通とにより３相モータを３相の半波駆動モードで動作させる。

この上アーム半波駆動モード状態を図４に示す回路図を参照して説明する。バッテリ５の負極端子は第２スイッチ７を通じて中性点１ａに接続される。図示しない磁極位置センサにより検出された磁極位置に応じて３相の上アームのスイッチング素子の開閉を制御する。矩形波電圧がステータコイル１の各相コイルに印加されて上アーム半波駆動動作が実施される。この実施形態では、３相の上アームのスイッチング素子の導通期間は、電気角で１２０度以上１８０度以下になるように制御されるが、この制御自体は周知事項であるため更なる詳細説明は省略される。

ステップS10にてすべてのスイッチング素子が正常と判断した場合には、インバータ２は通常のベクトル制御を行う。

（変形態様）
半波駆動モードでは、ステータコイル１に印加される交流電圧の振幅が減少するため、ステータコイル１の各相コイルの電流が必要値となるように、公知の定電流フィードバック制御を適用することができる。この定電流フィードバック制御について、図６を参照して更に詳しく説明する。

図６において、３１は、各相の電流値を検出する電流センサであり、ホールＩＣ式のものが採用される。３２は、モータの磁極位置を検出する磁極位置センサであり、レゾルバや磁石＆ホールＩＣによる検出方法が一般的であるがセンサレス方式を採用しても良い。

３３は、磁極位置θと外部からのトルク指令値に基づいて通電すべき電流（電流指令値）を算出するデータを格納した電流マップを含む電流指令値算出手段であり、入力情報に基づいてステータコイル１の各相コイルに通電すべき電流指令値Ｉｘ*（XはU、V、W）を出力する。

この実施形態では、電流指令値算出手段３３は、故障モードに応じて電流マップを選択するマップ選択部３３１と、正常時のベクトル制御電流マップ３３２、下アームオープン故障時の下側オープン電流マップ３３３と、上アームオープン故障時の上アームオープン電流マップ３３４と、電流指令値選択部３３５とを含む（図７参照）。この電流指令値算出手段３３は、簡単にソフトウエア又はハードウエアにより実現することができるため、これ以上の説明は省略する。

電流指令値算出手段３３は、入力される故障モードに応じて３つのマップのどれかを選択する。図７のブロック回路により説明すると、入力される故障モードに応じて、トルク指令値は３つのマップのどれかに送られる。また、入力される故障モードに応じて、３つのマップからの出力データが最終的に選択される。

つまり、ステップS12では、故障モードが「正常」であるので、たとえばコード０が電流指令値算出手段３３に送信され、電流指令値算出手段３３は正常時ベクトル制御電流マップ３３２を選択し、これにより、電流指令値ベクトル｛Iu1*、Iv1*、Iw1* ｝が選択されて出力される。

次に、ステップS24では、故障モードが「下アーム素子オープン」であるので、たとえばコード１が電流指令値算出手段３３に送信され、電流指令値算出手段３３は下アームオープン電流マップ（ロー側オープン時電流マップ）３３３を選択し、これにより、電流指令値ベクトル｛Iu2*、Iv2*、Iw2* ｝が選択されて出力される。

次に、ステップS20では、故障モードが「上アーム素子オープン」であるので、たとえばコード２が電流指令値算出手段３３に送信され、電流指令値算出手段３３は上アームオープン電流マップ（ハイ側オープン時電流マップ）３３４を選択し、これにより、電流指令値ベクトル｛Iu3*、Iv3*、Iw3* ｝が選択されて出力される。

図６において、３４は、各相に通電すべき電流指令値と電流センサ３１で検出した電流実測値との偏差に基づきフィードバック演算をするＰＩ演算器であり、各相の電圧指令値Ｖｘ*（XはU、V、W）を出力する。３５は、各相の電圧指令値Ｖｘ*を各相のトランジスタのｄｕｔｙ比に変換してパルス信号Ｇｘ*をインバータ２に送信する。

下アームのスイッチング素子にオープン故障が発生した際に半波駆動モードを実行した場合の各相の通電電流波形とその時のトルク波形を図８に示す。ステータコイル１の各相には、略台形波状の電流が通電される。転流時（時刻ｔ１−ｔ２間）にＩｕ＋Ｉｖ＝一定となる制御を実行する。これにより、トルクリップルは極小化される。

（変形態様）
変形態様を図９に示す回路図を参照して説明する。

この変形態様は、図１に示す回路において、リレー４と平滑コンデンサ３との間に昇圧チョッパ回路からなるDCDCコンバータ（いわゆるPAM回路）９を追加したものであり、DCDCコンバータ９のデューティ比制御によりインバータ２に印加する電源電圧を必要なレベルだけ昇圧することができるようにしたものである。

（変形態様）
第１スイッチ（上アーム短絡スイッチ）６、第２スイッチ（上アーム短絡スイッチ）７は、リレーにより構成してもよい。

（用途）
上記説明したこの実施形態の全波半波切替方式の回転電機装置は、自動車用の電動パワーステアリングシステムの駆動モータ、ハイブリッドシステムの駆動モータ、電動コンプレッサの駆動モータ、ラジエータ用のファン駆動モータ、エンジンの吸排気バルブコントロール用の駆動モータなどに適用でき、その信頼性を向上することができる。なお、モータは星型結線されていればよく、３相である必要はない。例えば５相の星型結線されたモータシステムにも適用可能である。

実施形態１の回転電機装置を示す回路図である。 図１の制御を示すフローチャートである。 下アーム半波駆動モードを示す回路図である。 上アーム半波駆動モードを示す回路図である。 電流検出端子付きＭＯＳＦＥＴの等価回路図である。 定電流フィードバックＰＷＭ制御を示すブロック回路図である。 電流指令値算出手段を示す図である。 図６の回路における半波駆動モードの電流波形及びトルク波形を示すタイミングチャートである。 変形態様を示す回路図である。

符号の説明

１ ステータコイル
１ａ 中性点
２ インバータ
３ 平滑コンデンサ
４ リレー
５ バッテリ
６ 第１スイッチ
７ 第２スイッチ
８ 制御回路
３１ 電流センサ
３３ 電流指令値算出手段
３３１ マップ選択部
３３２ ベクトル制御電流マップ
３３２ 正常時ベクトル制御電流マップ
３３３ 下側オープン電流マップ
３３４ 上アームオープン電流マップ
３３５ 電流指令値選択部

Claims (15)

1. 星形結線されたステータコイルを有する多相モータと、上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子とを相ごとに直列接続して構成されて前記多相モータを駆動する多相のインバータと、前記インバータに電力を供給する直流電源とを備える回転電機装置において、
   前記ステータコイルの中性点と前記直流電源の正極とを接続する第１スイッチと、前記ステータコイルの中性点と前記直流電源の負極とを接続する第２スイッチとの少なくとも一方と、
   前記スイッチを開閉して前記多相モータの全波駆動モードと半波駆動モードとを切り替える制御回路と、
   を備えることを特徴とする回転電機装置。
2. 前記第１スイッチを有し、
   前記制御回路は、各相の前記上アーム側スイッチング素子の少なくとも一つがオープン故障したと判定した場合に前記各相の上アーム側スイッチング素子を遮断し、前記第１スイッチを導通させ、前記各相の下アーム側スイッチング素子を断続制御して前記インバータを前記半波駆動モードで駆動する請求項１記載の回転電機装置。
3. 前記第２スイッチを有し、
   前記制御回路は、各相の前記下アーム側スイッチング素子の少なくとも一つがオープン故障したと判定した場合に前記各相の下アーム側スイッチング素子を遮断し、前記第２スイッチを導通させ、前記各相の上アーム側スイッチング素子を断続制御して前記インバータを前記半波駆動モードで駆動する請求項１記載の回転電機装置。
4. 前記第１スイッチ及び第２スイッチを有し、
   前記制御回路は、各相の前記上アーム側スイッチング素子の少なくとも一つがオープン故障したと判定した場合に前記各相の上アーム側スイッチング素子を遮断し、前記第１スイッチを導通させ、前記各相の下アーム側スイッチング素子を断続制御して前記インバータを前記半波駆動モードで駆動し、かつ、
   各相の前記下アーム側スイッチング素子の少なくとも一つがオープン故障したと判定した場合に前記各相の下アーム側スイッチング素子を遮断し、前記第２スイッチを導通させ、前記各相の上アーム側スイッチング素子を断続制御して前記インバータを前記半波駆動モードで駆動する請求項１記載の回転電機装置。
5. 前記半波駆動モードは、前記ステータコイルの各相巻線に導通期間が電気角１２０度以上１８０度以下である矩形波電圧を印加する運転モードである請求項２乃至４のいずれか記載の回転電機装置。
6. 前記制御回路は、前記半波駆動モードにおいて電流フィードバック方式のＰＷＭ制御を前記導通期間に行う請求項５記載の回転電機装置。
7. 前記電流フィードバック方式のＰＷＭ制御は、各相の転流帰還期間において各相電流の総和を一定値に収束させる制御からなる請求項６記載の回転電機装置。
8. 前記制御回路は、前記全波駆動モードにおいて前記第１、第２スイッチの両方を遮断し、前記インバータにベクトル制御を行わせる請求項１乃至７のいずれか記載の回転電機装置。
9. 前記第１、第２のスイッチ手段は双方向導通可能な半導体デバイスからなる請求項１乃至８のいずれか記載の回転電機装置。
10. 前記インバータの前記上アーム側スイッチング素子及び下アーム側スイッチング素子は、電流検出機能付きの半導体デバイスからなる請求項１乃至９のいずれか記載の回転電機装置。
11. 前記多相モータは、自動車の電動パワーステアリングシステムにおける操舵力発生用のモータである請求項１乃至１０のいずれか記載の回転電機装置。
12. 前記多相モータは、自動車の車輪駆動用のモータである請求項１乃至１０のいずれか記載の回転電機装置。
13. 前記多相モータは、自動車用のエアコンのコンプレッサ駆動用のモータである請求項１乃至１０のいずれか記載の回転電機装置。
14. 前記多相モータは、自動車のラジエータの冷却ファン駆動用のモータである請求項１乃至１０のいずれか記載の回転電機装置。
15. 前記多相モータは、自動車用エンジンの吸排気バルブコントロール用のモータである請求項１乃至１０のいずれか記載の回転電機装置。