JP2009254210A - 電動機制御装置および電動機の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機の制御における信頼性を向上する技術を提供する。
【解決手段】電動機制御装置９０は、同じ回転軸を駆動する複数の入力系統３６、３７を備えるモータ３８と、複数の入力系統３６、３７のそれぞれを流れる電流を制御するＥＰＳ−ＥＣＵ３２と、電流を検出する第１の電流センサ４４および第２の電流センサ４６と、入力系統３６、３７に流れる電流を遮断する第１のリレー４８および第２のリレー５０と、を備える。ＥＰＳ−ＥＣＵ３２は、第１の電流センサ４４および第２の電流センサ４６が検出した電流値に基づいて入力系統３６と入力系統３７との間が短絡していると判定した場合、入力系統３７に流れる電流を遮断するように第２のリレー５０を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電動機制御装置および電動機の制御方法に関する。

従来、電動機に流れる零相電流の所定周波数成分の変化に基づいて電動機の異常を判定する電動機絶縁監視システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。このシステムでは、異常を検出すると、それまで駆動されていた電動機に代えて予備の電動機に電力を供給することで、システムの信頼性を確保している。
特開２００３−２８７５５７号公報

ところで、電動機を例えば車両に用いる場合、用いる場所によってはより高い信頼性が求められる。そこで、上述のシステムのように電動機を複数備えることも考えられるが、車両コストの上昇や搭載スペースの増大、車両重量の増加等を引き起こしてしまう。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電動機の制御における信頼性を向上する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の電動機制御装置は、同じ回転軸を駆動する複数の入力系統を備える電動機と、前記複数の入力系統のそれぞれを流れる電流を制御する制御手段と、前記電流を検出する検出手段と、前記複数の入力系統のそれぞれに流れる電流を遮断する電流遮断手段と、を備える。前記制御手段は、前記検出手段が検出したそれぞれの入力系統の電流値に基づいていずれかの入力系統間が短絡していると判定した場合、短絡している２つの入力系統のうち一方の入力系統に流れる電流を遮断するように前記電流遮断手段を制御する。

この態様によると、複数の入力系統を備えているため、一つの入力系統に異常があっても、他の入力系統により電動機を駆動することができる。しかしながら、入力系統間が短絡した場合、そのまま電流を流し続けても短絡した両方の入力系統による駆動が不能になってしまう。そこで、短絡している２つの入力系統のうち一方の入力系統に流れる電流を遮断することで、他方の入力系統による駆動が可能となり、電動機の制御の信頼性を向上することができる。

前記入力系統は、位相がずれた電流がそれぞれ流れる一組の巻き線を有してもよい。前記制御手段は、前記検出手段により検出した一組の巻き線に流れる相電流の和が０でない入力系統が複数ある場合、相電流の和が０でない入力系統間が短絡していると判定してもよい。これにより、一組の巻き線に流れる相電流の和が０であるか否かで入力系統間の短絡が判定できるので、検出手段の構成を簡便化できるとともに、短絡の有無の判定精度を高めることができる。

前記制御手段は、短絡していた前記２つの入力系統のうち電流が遮断されていない他方の入力系統に異常があった場合、前記他方の入力系統に流れる電流が遮断されるように、かつ、電流が遮断されていた前記一方の入力系統に電流が流れるように、前記電流遮断手段を制御してもよい。これにより、短絡している２つの入力系統のうち駆動を行っていた他方の入力系統に異常があった場合には、それまで電流を遮断していた一方の入力系統に再度電流を流すことで、一方の入力系統による駆動が可能となる。

前記電動機は、三相の交流モータであってもよい。

本発明の別の態様は、電動機の制御方法である。この方法は、同じ回転軸を駆動する複数の入力系統を備える電動機の制御方法であって、前記複数の入力系統に流れるそれぞれの電流値に基づいて入力系統間が短絡しているか否かを判定し、入力系統間が短絡している場合には、短絡している２つの入力系統の一方に流れる電流を遮断する。

この態様によると、複数の入力系統により駆動しているため、一つの入力系統に異常があっても、他の入力系統により電動機を駆動することができる。しかしながら、入力系統間が短絡した場合、そのまま電流を流し続けても短絡した両方の入力系統による駆動が不能になってしまう。そこで、短絡している２つの入力系統のうち一方の入力系統に流れる電流を遮断することで、他方の入力系統による駆動が可能となり、電動機の制御の信頼性を向上することができる。

本発明によれば、複数の入力系統間が短絡しても電動機を駆動し続けることが可能となり、電動機の制御における信頼性を向上することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。本発明は、電動機により駆動される機構や装置等であれば適用することが可能であり、特に信頼性の確保が要求される機構や装置等に好適である。以下では、その一例としてステアバイワイヤ式の車両操舵装置に本発明を適用した場合について説明する。ステアバイワイヤ式の車両操舵装置では、通常、操舵軸と転舵軸が連結されていないため、転舵軸を動かすモータの信頼性の確保は重要である。

なお、ステアバイワイヤ式の車両用操舵装置の基本概念、主要なハードウェア構成、作動原理、及び基本的な制御手法等については当業者には既知であるため、詳しい説明を省略する。

図１は、本実施の形態に係る車両用操舵装置のシステム構成の概略を示すブロック図である。

本実施の形態に係る車両用操舵装置１０は、運転者によって操作される操舵操作装置１２と、左右前輪１４，１４を運転者の操作により転舵させる転舵装置１６と、を機械的に分離したステアバイワイヤ式の装置である。

操舵操作装置１２は、運転者によって回転操作される操作部としてのステアリングホイール１８と、一端がステアリングホイール１８に連結され、他端が車両本体１００に回転可能に取付けられる操舵軸２０と、を有している。

ところで、ステアバイワイヤ式を用いた車両用操舵装置１０は、運転者によって操作される操舵操作装置１２と、左右前輪１４，１４を運転者の操作により転舵させる転舵装置１６と、が機械的に分離している。したがって、操舵時に、擬似的ではあるが適度な操舵反力が操舵軸２０に付与されるように、ステアリングホイールの操舵操作（操舵入力）に応じて操舵軸２０に操舵反力を付加する反力モータ（不図示）が設けられている。そのため、あたかも操舵操作装置１２と転舵装置１６とが機械的に結合しているような操舵感を与えている。これにより、運転者は適度な操舵の手応えを得ることができる。なお、操舵軸２０には、操舵軸２０の操舵角度を検出する操舵角センサ２２が取り付けられている。

転舵装置１６は、車両幅方向に延びて配置された転舵軸２４を有している。この転舵軸２４の両端部には、タイロッド２６およびナックルアーム２８を介して、転舵輪としての左右前輪１４，１４が転舵可能に連結されている。

左右前輪１４，１４は、転舵軸２４の軸線方向の変位により左右に転舵される。転舵軸２４の外周上には、図示しないハウジングに組み付けられたアクチュエータ３０が配設されている。アクチュエータ３０は、電動モータを有し、電動モータの回転は、ねじ送り機構により減速されるとともに転舵軸２４の軸線方向の変位に変換される。したがって、電動モータの駆動により転舵軸２４はその軸線方向へ変位し、左右前輪１４，１４が転舵する。

アクチュエータ３０には、後述する各種のセンサからの信号に基づいて、電動モータの制御を行うＥＰＳ−ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ、電子式パワーステアリング電子制御装置）３２が接続されている。

なお、ＥＰＳ−ＥＣＵ３２は、マイクロコンピュータから構成されており、制御、演算プログラムに従って各種処理を実行するとともに、当該装置の各部を制御するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＣＰＵの実行プログラムを格納するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、演算結果等を格納する読書き可能なＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、タイマ、カウンタ、入出力インターフェイス（Ｉ／Ｏ）等を有している。

ＥＰＳ−ＥＣＵ３２には、上述の操舵角センサ２２と、左右前輪１４，１４の転舵角度を検出する転舵角センサ３４とが接続されている。ＥＰＳ−ＥＣＵ３２は、例えば、操舵角センサ２２により検出された操舵角度と、転舵角センサ３４により検出された転舵角度とに基づいて、電動モータを制御し左右前輪１４，１４を転舵させる。

上述のようなステアバイワイヤ式の車両用操舵装置１０では、操舵軸２０と転舵軸２４が連結されていない。そのため、電動モータによる転舵制御の信頼性を向上するため、本実施の形態に係る電動モータは入力系統が二重化されている。図２は、本実施の形態に係る電動機制御装置のブロック図である。

電動機制御装置９０は、アクチュエータ３０とそれを制御するＥＰＳ−ＥＣＵ３２とを備える。アクチュエータ３０は、同じ回転軸を駆動する複数の入力系統３６、３７を備えるモータ３８と、２つの入力系統３６、３７のそれぞれを流れる電流を制御する第１のＥＣＵ４０、第２のＥＣＵ４２と、それぞれの入力系統３６、３７に接続され電流を検出する第１の電流センサ４４、第２の電流センサ４６と、２つの入力系統３６、３７のそれぞれに流れる電流を遮断する電流遮断手段としての第１のリレー４８、第２のリレー５０と、を備える。

つまり、本実施の形態に係るモータ３８は、第１の電流センサ４４および第１のリレー４８が接続された入力系統３６から入力された、第１のＥＣＵ４０により制御された電流により駆動される。また、同様にモータ３８は、第２の電流センサ４６および第２のリレー５０が接続された入力系統３７から入力された、第２のＥＣＵ４２により制御された電流により駆動される。このように、電動機制御装置９０は、複数の入力系統を備えているため、一つの入力系統に異常があっても、他の入力系統によりモータを駆動することができる。

図３は、アクチュエータ３０の概略構成を示す模式図である。なお、図３では、モータ３８のうち巻き線の部分のみを図示している。

本実施の形態に係るモータ３８は、３相の交流モータである。モータ３８は、２つの入力系統３６、３７のそれぞれに、電流が流れる一組の巻き線５２、５４とが接続されている。ここで、巻き線５２、５４は、Δ結線されている。正常時、巻き線５２、５４は互いに絶縁されており、巻き線５２、５４には、それぞれ交流電流が供給される。そのため、巻き線５２を含む入力系統３６および巻き線５４を含む入力系統３７の一方に断線や短絡等の異常が生じても、他方の入力系統から供給されている電流によりモータ３８の駆動が可能となる。

ところで、モータ３８は、一つの回転軸を異なる入力系統のそれぞれにより駆動できるように巻き線を多重化しているため、巻き線５２と巻き線５４とが近接して設けられている。このような場合、巻き線５２と巻き線５４とが何らかの原因で短絡すると、入力系統３６、３７のそれぞれに電流が正常に流れなくなり、モータ３８を駆動できなくなってしまう。このような場合、入力系統３６、３７のそれぞれを単独でみると異常がないこともある。

そこで、本実施の形態に係るＥＰＳ−ＥＣＵ３２は、第１の電流センサ４４や第２の電流センサ４６が検出したそれぞれの入力系統３６、３７の電流値に基づいて入力系統３６、３７の間が短絡していると判定した場合、短絡している２つの入力系統３６、３７のうち一方の入力系統３７に流れる電流を遮断するように第２のリレー５０を制御している。このように、短絡している２つの入力系統のうち一方の入力系統に流れる電流を遮断することで、他方の入力系統による駆動が可能となり、モータ３８の制御の信頼性を向上することができる。

本実施の形態に係る入力系統３６、３７は、位相がずれた電流が流れるＵ相、Ｖ相、Ｗ相が結線されて、巻き線５２、５４が構成されている。そのため、正常時における入力系統３６の巻き線５２に流れる相電流の和は、
ｕａ＋ｖａ＋ｗａ＝０・・・式（１）
となる。同様に、正常時における入力系統３７の巻き線５４に流れる相電流の和は、
ｕｂ＋ｖｂ＋ｗｂ＝０・・・式（２）
となる。

ところが、入力系統３６と入力系統３７との間が短絡すると、上述の式（１）、（２）の関係が変化する。そこで、本実施の形態に係るＥＰＳ−ＥＣＵ３２は、第１の電流センサ４４および第２の電流センサ４６により検出した巻き線５２、５４に流れる相電流の和が互いに０でない場合、入力系統３６と入力系統３７との間が短絡していると判定する。これにより、一組の巻き線に流れる相電流の和が０であるか否かで入力系統間の短絡が判定できるので、第１の電流センサ４４や第２の電流センサ４６の構成を簡便化できるとともに、短絡の有無の判定精度を高めることができる。

図４および図５は、本実施の形態に係るモータにおける入力系統間の短絡検出処理を示すフローチャートである。なお、本実施の形態に係る電動機制御装置９０は、フェールセーフの観点からシステムが二重化されており、入力系統毎にＥＣＵが接続されている。なお、各ＥＣＵにおいて同様の処理が行われているため、以下では、第１のＥＣＵ４０の処理について説明し、第２のＥＣＵ４２の処理については第１のＥＣＵ４０と異なる点について適宜説明する。

アクチュエータ３０が正常な場合、この処理は所定のタイミングで繰り返し実行されている。図４に示すように、第１のＥＣＵ４０は、処理が開始されると、第１の電流センサ４４で検出した電流の値から相電流の和（ｕａ＋ｖａ＋ｗａ）が０か否かを判定する（Ｓ１０）。相電流の和が０の場合（Ｓ１０のＹｅｓ）、第１のＥＣＵ４０は、入力系統３６と入力系統３７との間の短絡はないと判定し、次の処理に進む。

相電流の和が０でない場合（Ｓ１０のＮｏ）、入力系統間の短絡があると判定され、入力系統３６（以下、Ａ系統という）に入力系統間の短絡を含む異常があることを示す異常フラグが第２のＥＣＵ４２に送信される（Ｓ１２）。また、第１のＥＣＵ４０は、同様の処理が行われている第２のＥＣＵ４２から入力系統３７（以下、Ｂ系統という）の状態を示す情報を取得する（Ｓ１４）。

次に、第１のＥＣＵ４０は、第２のＥＣＵ４２から取得した情報にＢ系統の異常フラグがあるか否かを判定する（Ｓ１６）。Ｂ系統の異常フラグがある場合（Ｓ１６のＹｅｓ）、入力系統間が短絡している可能性が高く、Ａ系統、Ｂ系統のいずれか一方の系統の電流を遮断することで、他方の系統によりモータ３８を駆動できる。ここで、いずれの系統を遮断してもモータ３８の駆動は可能であるが、本実施の形態に係るＥＰＳ−ＥＣＵ３２では、Ａ系統による駆動の優先順位が一番高く設定されている。つまり、第１のＥＣＵ４０においては、自系統であるＡ系統の優先順位が高いため（Ｓ１８のＹｅｓ）、Ａ系統である入力系統３６に流れる電流を遮断せず、次の処理に進む。

一方、Ｂ系統の異常フラグがない場合（Ｓ１６のＮｏ）、Ａ系統単独の異常が考えられるため、第１のＥＣＵ４０は、Ａ系統単独異常フラグをたて（Ｓ２０）、第１のリレー４８を制御しＡ系統の電流を遮断する（Ｓ２２）。なお、Ａ系統の優先順位が高く設定されていない場合（Ｓ１８のＮｏ）、第１のＥＣＵ４０は、第１のリレー４８を制御しＡ系統の電流を遮断する（Ｓ２２）。

次に、図５に示すように、第１のＥＣＵ４０は、Ａ系統が遮断されているか否かを判定する（Ｓ２４）。Ａ系統が遮断されていない場合（Ｓ２４のＮｏ）、Ａ系統自体が故障しているか否かが判定される（Ｓ２６）。例えば、第１のＥＣＵ４０におけるＡ系統への指示電流値と第１の電流センサ４４による検出値とが大きく異なっている場合や、Ｂ系統が遮断されているにもかかわらず巻き線５２内の短絡や断線等により相電流の和が０とならない場合等に故障と判定される。

Ａ系統が故障と判定された場合（Ｓ２６のＹｅｓ）、Ａ系統が遮断され（Ｓ２８）、Ａ系統故障フラグが第２のＥＣＵ４２に送信される（Ｓ３０）。Ａ系統に故障がない場合（Ｓ２６のＮｏ）、第１のＥＣＵ４０はこの処理を一度終了する。

一方、Ａ系統が遮断されている場合（Ｓ２４のＹｅｓ）、第１のＥＣＵ４０は、第２のＥＣＵ４２からＢ系統の状態を示す情報を必要に応じて取得する（Ｓ３２）。次に、取得した情報に基づいてＢ系統が故障しているか否かが判定される（Ｓ３４）。Ｂ系統が故障していないと判定された場合（Ｓ３４のＮｏ）、第１のＥＣＵ４０はこの処理を一度終了する。取得した情報に、例えば、Ｂ系統故障フラグが含まれている場合（Ｓ３４のＹｅｓ）、第１のＥＣＵ４０は、それまで遮断していたＡ系統の第１のリレー４８を制御し、Ａ系統に再度電流を供給する（Ｓ３６）。

上述のように本実施の形態に係るＥＰＳ−ＥＣＵ３２は、短絡していた２つの入力系統のうち電流が遮断されていない他方の入力系統に異常があった場合、他方の入力系統に流れる電流が遮断されるように、かつ、電流が遮断されていた一方の入力系統に電流が流れるように、第１のリレー４８や第２のリレー５０を制御する。これにより、短絡している２つの入力系統のうちモータ３８の駆動を行っていた他方の入力系統に異常があった場合には、それまで電流を遮断していた一方の入力系統に再度電流を流すことで、一方の入力系統によるモータ３８の駆動が可能となる。

以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、これは例示であり、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。

上述の実施の形態では、入力系統が二系統の場合について説明したが、もちろん三系統以上の場合であっても同様の制御が可能である。

本実施の形態に係る車両用操舵装置のシステム構成の概略を示すブロック図である。 本実施の形態に係る電動機制御装置のブロック図である。 アクチュエータの概略構成を示す模式図である。 本実施の形態に係るモータにおける入力系統間の短絡検出処理を示すフローチャートである。 本実施の形態に係るモータにおける入力系統間の短絡検出処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１０ 車両用操舵装置、 １２ 操舵操作装置、 １４ 左右前輪、 １６ 転舵装置、 １８ ステアリングホイール、 ２０ 操舵軸、 ２２ 操舵角センサ、 ２４ 転舵軸、 ３０ アクチュエータ、 ３２ ＥＰＳ−ＥＣＵ、 ３６ 入力系統、 ３７ 入力系統、 ３８ モータ、 ４０ 第１のＥＣＵ、 ４２ 第２のＥＣＵ、 ４４ 第１の電流センサ、 ４６ 第２の電流センサ、 ４８ 第１のリレー、 ５０ 第２のリレー、 ５２ 巻き線、 ５４ 巻き線、 ９０ 電動機制御装置。

Claims (5)

1. 同じ回転軸を駆動する複数の入力系統を備える電動機と、
   前記複数の入力系統のそれぞれを流れる電流を制御する制御手段と、
   前記電流を検出する検出手段と、
   前記複数の入力系統のそれぞれに流れる電流を遮断する電流遮断手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記検出手段が検出したそれぞれの入力系統の電流値に基づいていずれかの入力系統間が短絡していると判定した場合、短絡している２つの入力系統のうち一方の入力系統に流れる電流を遮断するように前記電流遮断手段を制御する、
   ことを特徴とする電動機制御装置。
2. 前記入力系統は、位相がずれた電流がそれぞれ流れる一組の巻き線を有し、
   前記制御手段は、前記検出手段により検出した一組の巻き線に流れる相電流の和が０でない入力系統が複数ある場合、相電流の和が０でない入力系統間が短絡していると判定することを特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置。
3. 前記制御手段は、短絡していた前記２つの入力系統のうち電流が遮断されていない他方の入力系統に異常があった場合、前記他方の入力系統に流れる電流が遮断されるように、かつ、電流が遮断されていた前記一方の入力系統に電流が流れるように、前記電流遮断手段を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の電動機制御装置。
4. 前記電動機は、三相の交流モータであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電動機制御装置。
5. 同じ回転軸を駆動する複数の入力系統を備える電動機の制御方法であって、
   前記複数の入力系統に流れるそれぞれの電流値に基づいて入力系統間が短絡しているか否かを判定し、入力系統間が短絡している場合には、短絡している２つの入力系統の一方に流れる電流を遮断することを特徴とする電動機の制御方法。

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