JP2011078221A - 多相回転機の制御装置、および、これを用いた電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング手段に故障が発生したことによる出力の低下を極力抑え、回転機の駆動を継続可能な多相回転機の制御装置を提供する。
【解決手段】故障特定手段は、ＭＯＳ２４が導通不可となるオフ故障が生じたとき、オフ故障が生じたスイッチング素子対２７を特定する。故障時制御手段は、故障特定手段により特定されたスイッチング素子対２７を含む第１インバータ部２０において、回転位置θとｑ軸電流指令値Ｉｑ^*１との関数として算出される故障時相電流指令値に基づき、スイッチング素子対２８、２９を制御する。また、故障時制御手段は、第２インバータ部３０を、通常時と同様に制御する。これにより、ＭＯＳ２４に故障が発生しても、トルクの低下を極力抑えた状態でモータ１０の駆動を継続することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、多相回転機の制御装置、および、これを用いた電動パワーステアリング装置に関する。

従来、複数のスイッチング素子のオンおよびオフの切り替えを制御することにより、回転機を制御する多相回転機の制御装置が公知である。このような多相回転機の制御装置において、スイッチング素子の一部が故障しても回転機の駆動を継続させる技術が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。

特開２００５−３０４１１９号公報 特開平６−９８５９６号公報 特開２００９−６９６３号公報

特許文献１に記載の技術では、インバータなどである複数の電力供給源を有し、複数の電力供給源のうちいずれかの電力供給源が正常でなくなった場合、正常でなくなった異常電力供給源から複数の巻線群への電力供給を停止する。そして、異常電力供給源以外の正常電力供給源から、異常電力供給源に対応する巻線群への電力供給を継続する。しかしながら、特許文献１の技術では、異常電力供給源が本来発生させていた分の出力の低下は避けられない。また、正常電力供給源において、異常電力供給源が本来発生させていた分の電力を補うように出力を高めた場合、正常電力供給源のスイッチング素子の発熱が大きくなるため、出力低下分を補って駆動継続できる時間は短い。

特許文献２の技術では、全ての相の誘起電圧の瞬時値の２乗和に反比例する量と、各相の誘起電圧の瞬時値に比例する量との関数として各相の電機子電流の目標値を演算し、この演算結果に基づき各相の電機子電流を制御している。各巻線に独立して電流を流すことができる単相インバータシステムにおいては、誘起電圧の２乗和に反比例する式から簡単に相電流指令値を導出することができる。一方、例えば３相モータに用いられる３相インバータにおいては、各相に通電される電流をｉｕ、ｉｖ、ｉｗとすると、ｉｕ＋ｉｖ＋ｉｗ＝０という拘束条件の下、誘起電圧の２乗和に反比例する式から相電流指令値を導出する必要がある。しかしながら、特許文献２の技術においては、拘束条件下での実施手法についてはなんら言及されておらず、特許文献２の技術を多相インバータに用いることは困難である、といえる。さらに、拘束条件下においては、例えばｉｕに電流が流せなくなるオフ故障が生じた場合、ｉｖ＝−ｉｗとなるために全くトルクを発生できない区間が存在するという問題点がある。

特許文献３の技術では、３相インバータシステムの１相にオフ故障が発生したときに、残りの２相の相電流指令値を、ｉｕ＋ｉｖ＋ｉｗ＝０の拘束条件の下、ロータ角度の関数として予め記憶されたテーブルに基づいて算出している。しかしながら特許文献３の技術では、インバータが１つしかないため、例えばｉｕに電流が流せないオフ故障が生じた場合、特許文献２に記載の技術と同様、ｉｖ＝−ｉｗとなるために全くトルクを発生できない区間が存在するという問題点があった。また、３相インバータシステムの１相にオフ故障が生じた場合の残り２相の相電流指令値をテーブルとして予め記憶する必要があるため、記憶部として大きな容量を要するという問題点があった。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、スイッチング素子に故障が発生した場合において、故障が発生したことによる出力の低下を極力抑え、回転機の駆動を継続可能な多相回転機の制御装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、複数の巻線組を構成し巻線組ごとに複数相となるように巻線が巻回されるステータ、当該ステータに対し相対回転するロータ、当該ロータとともに回転するシャフトを有する多相回転機を制御する制御装置である。多相回転機の制御装置は、インバータ部と、回転位置検出手段と、電流検出部と、制御部と、を備える。インバータ部は、巻線の各相に対応するスイッチング手段を有している。スイッチング手段は、例えば２つのスイッチング素子から構成される。また、複数のインバータ部は、巻線組ごとに設けられている。回転位置検出手段は、ロータの回転位置を検出する。回転位置検出手段は、レゾルバ等で構成される位置センサが例示される。また、回転位置検出手段は、位置センサを用いなくても、各相電圧、電流などからロータの回転位置を検出するように構成してもよい。電流検出部は、複数の巻線に通電される電流を巻線ごとに検出する。制御部は、巻線の各相に対応するスイッチング手段のオンおよびオフを切り替えることにより、巻線に通電される電流を制御する。

本発明の制御部は、故障特定手段および故障時制御手段を有する点に特徴を有している。故障特定手段は、スイッチング手段が導通不可となるオフ故障が生じたとき、オフ故障が生じたスイッチング手段である故障スイッチング手段を特定する。本発明では、例えば、スイッチング手段が複数のスイッチング素子で構成されている場合、少なくとも１つのスイッチング素子がオフ故障した場合、スイッチング手段がオフ故障した、と特定する。故障時制御手段は、故障特定手段により特定された故障スイッチング手段を含むインバータ部である故障インバータ部において、回転位置とトルク指令値との関数、または、回転位置とｑ軸電流指令値との関数として算出される故障時相電流指令値に基づき、故障インバータ部の故障スイッチング手段を除くスイッチング手段を制御する。また、故障時制御手段は、故障インバータ部ではない正常インバータ部を、通常時と同様に制御する。

本発明では、複数のインバータ部を備えており、スイッチング手段が故障したとしても、故障スイッチング手段を含まない正常インバータ部においては、正常時と同様に制御を行うので、トルクが全く発生しない区間が生じない。また、回転位置とトルク指令値との関数、または、回転位置とｑ軸電流指令値との関数として故障時相電流指令値を算出する。そして、この故障時相電流指令値に基づき、故障インバータ部における故障していないスイッチング手段を用いて故障インバータ部を駆動し、故障インバータ部に対応する巻線への通電を継続するように制御するので、トルクの低下を極力抑えることができる。これにより、スイッチング手段に故障が発生した場合であっても、トルクが全く発生しない区間がなく、またトルクの低下を極力抑えた状態で回転機の駆動を継続することができる。また、本発明では、故障時相電流指令値を、回転位置とトルク指令値との関数、または、回転位置とｑ軸電流指令値との関数として算出しているため、予めテーブルとして相電流指令値を記憶している特許文献３の技術と比較して、記憶部の容量を小さくすることができ、ひいては装置全体の小型化・低コスト化に寄与する。

故障したスイッチング手段は、以下の方法で特定することができる。
請求項２に記載の発明では、故障特定手段は、スイッチング手段に対する指令電圧が所定値以上であり、かつ、当該スイッチング手段に対応する巻線に電流が流れていないと判断された場合、当該スイッチング手段がオフ故障した、と特定する。
指令電圧値が所定値以上であるにも関わらず、巻線に電流が通電されていないとき、対応するスイッチング手段がオフ故障していると特定するので、オフ故障したスイッチング手段を容易に特定することができる。

ところで、正常インバータ部において正常駆動を行い、故障インバータ部において、故障していないスイッチング手段による駆動を継続した場合であっても、トルクが減少してしまう区間がある。
そこで、請求項３に記載の発明では、故障時制御手段は、故障スイッチング手段がオフ故障していないときに通常時と同様に制御した場合に発生するトルクと、故障スイッチング手段がオフ故障したときに故障時相電流指令値に基づいて制御した場合に発生するトルクとの差分である差分トルクを算出する。そして、差分トルクに基づいて正常インバータ部におけるｑ軸電流指令値を補正して正常インバータ部を制御する。

補正したｑ軸電流指令値に基づいて正常インバータ部を制御することにより、スイッチング手段の故障により低下した分のトルクを正常インバータ部に対応する巻線組への通電により発生するトルクで補うことができる。なお、本発明においては、故障インバータ部において、故障していないスイッチング手段による駆動を継続しているので、特許文献１の技術と比較してトルクが低下している区間は少ない。そのため、スイッチング手段の故障に伴って低下した分のトルクを補うように正常インバータ部を駆動したとしても、特許文献１に技術と比較して、発熱が少ないため、インバータ部の体格を大きく変えることなく、正常時と略同等のトルクを発生させることができる。
このような多相回転機の制御装置は、請求項４に記載の発明のように、電動パワーステアリング装置に好適に用いられる。

本発明の第１実施形態による電動パワーステアリング装置の概略構成を示す説明図である。 本発明の第１実施形態による電動パワーステアリング装置に用いられるモータの平面図である。 本発明の第１実施形態による故障特定手段を説明するフローチャートである。 本発明の第１実施形態の制御装置による制御を説明する説明図であり、（ａ）は正常インバータ部の電流値とトルクの図であり、（ｂ）は故障インバータ部の電流値とモータトルクの図である。 本発明の第１実施形態の制御装置により制御したときに発生するトルクを説明する説明図である。 本発明の第２実施形態の制御装置による正常インバータ部の制御を説明する説明図である。 本発明の変形例による電流検出部の位置を説明する模式的な回路図である。

以下、本発明による多相回転機の制御装置を図面に基づいて説明する。なお、複数の実施形態において、実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
（第１実施形態）
図１に示すように、本発明の第１実施形態による制御装置１は、モータ１０の駆動を制御するものである。モータ１０は、車両のステアリング操作をアシストするための電動パワーステアリング装置に用いられる。モータ１０は、車両のステアリング９１の回転軸たるコラム軸９２に取り付けられたギア９３を介しコラム軸９２に回転トルクを発生させ、ステアリング９１による操舵をアシストする。具体的には、ステアリング９１が運転者によって操作されると、当該操作によってコラム軸９２に生じる操舵トルクをトルクセンサ９４によって検出し、また車速情報をＣＡＮ（Controller Area Network、不図示）から取得し、運転者のステアリング９１による操舵をアシストする。

モータ１０は、ギア９３を正逆回転させる三相ブラシレスモータである。モータ１０は、いずれも図示しないステータ、ロータ、及び、シャフトを有している。ロータは、シャフトとともに回転する円板状の部材であり、その表面に永久磁石が貼り付けられ、磁極を有している。ステータは、ロータを内部に収容するとともに、回転可能に支持している。ステータは、径内方向へ所定角度毎に突出する突出部を有し、この突出部に図１に示すＵ１コイル１１、Ｖ１コイル１２、Ｗ１コイル１３、Ｕ２コイル１４、Ｖ２コイル１５、及び、Ｗ２コイル１６が巻回されている。Ｕ１コイル１１、Ｖ１コイル１２、及び、Ｗ１コイル１３は、第１巻線組１８を構成している。また、Ｕ２コイル１４、Ｖ２コイル１５、及び、Ｗ２コイル１６は、第２巻線組１９を構成している。第１巻線組１８及び第２巻線組１９が、特許請求の範囲における「複数の巻線組」に対応している。また、モータ１０には、ロータの回転位置θを検出する回転位置検出手段としての位置センサ６９が設けられている。本形態においては、位置センサ６９はレゾルバである。なお、位置センサ６９を用いなくても、各相電圧、電流などからロータ角度を推定することは可能である。

モータ１０の制御装置１は、第１インバータ部２０、第２インバータ部３０、電流検出部４０、コンデンサ５０、制御部６０、位置センサ６９、及び、バッテリ７０等を備えている。
第１インバータ部２０は、３相インバータであり、第１巻線組１８のＵ１コイル１１、Ｖ１コイル１２、Ｗ１コイル１３のそれぞれへの通電を切り替えるべく、６つのスイッチング素子２１〜２６がブリッジ接続されている。スイッチング素子２１〜２６は、本形態においては、電界効果トランジスタの一種であるＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）である。以下、スイッチング素子２１〜２６を、ＭＯＳ２１〜２６という。

３つのＭＯＳ２１〜２３は、ドレインが電源側に接続されている。また、ＭＯＳ２１〜２３のソースが、それぞれＭＯＳ２４〜２６のドレインに接続されている。ＭＯＳ２４〜２６のソースは、グランド側に接続されている。
対になっているＭＯＳ２１とＭＯＳ２４との接続点は、Ｕ１コイル１１の一端に接続している。また対になっているＭＯＳ２２とＭＯＳ２５との接続点は、Ｖ１コイル１２の一端に接続している。さらにまた、対になっているＭＯＳ２３とＭＯＳ２６との接続点は、Ｗ１コイル１３の一端に接続している。

第２インバータ部３０は、第１インバータ部２０と同様、３相インバータであり、第２巻線組１９のＵ２コイル１４、Ｖ２コイル１５、Ｗ２コイル１６のそれぞれへの通電を切り替えるべく、６つのスイッチング素子３１〜３６がブリッジ接続されている。スイッチング素子３１〜３６は、本形態においては、電界効果トランジスタの一種であるＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）である。以下、スイッチング素子３１〜３６を、ＭＯＳ３１〜３６という。

３つのＭＯＳ３１〜３３は、ドレインが電源側に接続されている。また、ＭＯＳ３１〜３３のソースが、それぞれＭＯＳ３４〜３６のドレインに接続されている。ＭＯＳ３４〜３６のソースは、グランド側に接続されている。
対になっているＭＯＳ３１とＭＯＳ３４との接続点は、Ｕ２コイル１４の一端に接続している。また対になっているＭＯＳ３２とＭＯＳ３５との接続点は、Ｖ２コイル１５の一端に接続している。さらにまた、対になっているＭＯＳ３３とＭＯＳ３６との接続点は、Ｗ２コイル１６の一端に接続している。

以下、電源側に接続されているＭＯＳ２１〜２３、３１〜３３を「上ＭＯＳ」といい、グランド側に接続されているＭＯＳ２４〜２６、３４〜３６を「下ＭＯＳ」という。また必要に応じて、「Ｕ１上ＭＯＳ２１」といった具合に、対応する巻線を併せて記載する。
ＭＯＳ２１、２４がＵ１スイッチング素子対２７を構成し、ＭＯＳ２２、２５がＶ１スイッチング素子対２８を構成し、ＭＯＳ２３、２６がＷ１スイッチング素子対２９を構成する。また、ＭＯＳ３１、３４がＵ２スイッチング素子対３７を構成し、ＭＯＳ３２、３５がＶ２スイッチング素子対３８を構成し、ＭＯＳ３３、３６がＷ１スイッチング素子対３９を構成する。スイッチング素子対２７〜２９、３７〜３９が、特許請求の範囲における「スイッチング手段」に対応している。

Ｕ１スイッチング素子対２７であるＭＯＳ２１、２４は、それぞれ半導体チップとして構成されており、当該半導体チップが樹脂モールドされて、図２に示す半導体モジュール５１となっている。Ｖ１スイッチング素子対２８であるＭＯＳ２２、２５は、それぞれ半導体チップとして構成されており、当該半導体チップが樹脂モールドされて、図２に示す半導体モジュール５２となっている。Ｗ１スイッチング素子対２９であるＭＯＳ２３、２６は、それぞれ半導体チップとして構成されており、当該半導体チップが樹脂モールドされて、図２に示す半導体モジュール５３となっている。
また、Ｕ２スイッチング素子対３７であるＭＯＳ３１、３４は、それぞれ半導体チップとして構成されており、当該半導体チップが樹脂モールドされて、図２に示す半導体モジュール５４となっている。Ｖ２スイッチング素子対３８であるＭＯＳ３２、３５は、それぞれ半導体チップとして構成されており、当該半導体チップが樹脂モールドされて、図２に示す半導体モジュール５５となっている。Ｗ２スイッチング素子対３９であるＭＯＳ３３、３６は、それぞれ半導体チップとして構成されており、当該半導体チップが樹脂モールドされて、図２に示す半導体モジュール５６となっている。
ＭＯＳ２００、３００（図１参照）は、ＭＯＳ２１〜２６、３１〜３６とは逆向きに接続され、コンデンサ５０等の逆接保護のために設けられている。本形態においては、ＭＯＳ２００は、半導体モジュール５３に設けられ、ＭＯＳ３００は、半導体モジュール５４に設けられている。

図１に示すように、電流検出部４０は、Ｕ１電流検出部４１、Ｖ１電流検出部４２、Ｗ１電流検出部４３、Ｕ２電流検出部４４、Ｖ２電流検出部４５、及び、Ｗ２電流検出部４６から構成されている。本形態では、電流検出部４１〜４６は、シャント抵抗である。Ｕ１電流検出部４１は、Ｕ１下ＭＯＳ２４とグランドとの間に設けられる。Ｖ１電流検出部４２は、Ｖ１下ＭＯＳ２５とグランドとの間に設けられる。Ｗ１電流検出部４３は、Ｗ１下ＭＯＳ２６とグランドとの間に設けられる。また、Ｕ２電流検出部４４は、Ｕ２下ＭＯＳ３４とグランドとの間に設けられる。Ｖ２電流検出部４５は、Ｖ２下ＭＯＳ３５とグランドとの間に設けられる。Ｗ２電流検出部４６は、Ｗ２下ＭＯＳ３６とグランドとの間に設けられる。電流検出部４１〜４６によって検出された検出値（以下、「ＡＤ値」という。）は、制御部６０を構成する図示しないレジスタに記憶される。電流検出部４１〜４６によるＡＤ値の取得は、６つ同時に行われる。このとき、位置センサ６９によるモータ１０のロータの回転位置θも同時に取得される。

コンデンサ５０は、アルミ電解コンデンサであり、電荷を蓄えることにより、ＭＯＳ２１〜２６、３１〜３６への電力供給を補助したり、サージ電流などのノイズ成分を除去したりする。コンデンサ５０は、半導体モジュール５１〜５６の径方向外側に設けられている（図２参照）。なお、図２においては、半導体モジュール５２、５３、５５に対応して設けられるコンデンサ５０は省略した。コンデンサ５０は、半導体モジュール５１〜５６の径方向内側に設けてもよい。略六角形形状に配置される半導体モジュール５１〜５６の内側には、チョークコイル７１が設けられ、電源ノイズを低減している。

制御部６０は、制御装置１全体の制御を司るものであって、マイクロコンピュータ６１、プリドライバ６２、６３、図示しないレジスタ等で構成される。
制御部６０では、電流検出部４０により検出されたＡＤ値および位置センサ６９により検出されたロータの回転位置θに基づいて、ＭＯＳ２１〜２６、ＭＯＳ３１〜３６のオンおよびオフを制御することによりコイル１１〜１６に通電される電流を制御している。

ここで、正常時におけるＭＯＳ２１〜２６、ＭＯＳ３１〜３６のＰＷＭ制御処理を説明する。なお、ここでは第１インバータ部２０における制御処理を例として説明するが、第２インバータ部３０においても同様に制御されている。
まず、電流検出部４１〜４３により検出されたＡＤ値からＵ１コイル１１の電流値Ｉｕ１、Ｖ１コイル１２の電流値Ｉｖ１、Ｗ１コイル１３の電流値Ｉｗ１を算出する。算出された三相電流Ｉｕ１、Ｉｖ１、Ｉｗ１、および位置センサ６９によって取得されたロータ回転位置θに基づき、ｄ軸電流検出値Ｉｄ１及びｑ軸電流検出値Ｉｑ１を算出する。なお、磁束に対して直交する軸がｑ軸であり、磁束と同じ方向がｄ軸である。また、ｑ軸電流は、モータ１０が発生するトルクと比例する電流成分である。

次に、ｄ軸電流指令値Ｉｄ^*１およびｑ軸電流指令値Ｉｑ^*１と、ｄ軸電流検出値Ｉｄ１およびｑ軸電流検出値Ｉｑ１とから、電流フィードバック制御を行い、ｄ軸指令電圧Ｖｄ１およびｑ軸指令電圧Ｖｑ１を算出する。より詳細には、ｄ軸電流指令値Ｉｄ^*１とｄ軸電流検出値Ｉｄ１との電流偏差ΔＩｄ１、および、ｑ軸電流指令値Ｉｑ^*１とｑ軸電流検出値Ｉｑ１との電流偏差ΔＩｑ１を算出し、指令電流Ｉｄ^*１及びＩｑ^*１に追従させるべく、電流偏差ΔＩｄ１およびΔＩｑ１が０に収束するようにｄ軸指令電圧Ｖｄ１およびｑ軸指令電圧Ｖｑ１を算出する。また、指令電圧Ｖｄ１、Ｖｑ１、およびロータ回転位置θに基づき、三相電圧指令値であるＵ相指令電圧Ｖｕ^*１、Ｖ相指令電圧Ｖｖ^*１、および、Ｗ相指令電圧Ｖｗ^*１を算出する。三相電圧指令値Ｖｕ^*１、Ｖｖ^*１、Ｖｗ^*１、および、コンデンサ電圧Ｖｃに基づき、デューティ指令信号であるＵ相デューティＤｕ１、Ｖ相デューティＤｖ１、およびＷ相デューティＤｗ１をレジスタに書き込む。
そして、プリドライバ６２において、デューティ指令信号Ｄｕ１、Ｄｖ１、Ｄｗ１とＰＷＭ基準信号とを比較し、ＭＯＳ２１〜２６のオンおよびオフの切り替えタイミングを制御することにより、コイル１１〜１３への通電を制御している。

本形態では、ＭＯＳ２１〜２６、３１〜３６がオフ故障した場合の制御に特徴を有している。本形態では、Ｕ１下ＭＯＳ２４にオフ故障が生じた場合を例に説明するが、以下に説明する制御処理は、他のＭＯＳがオフ故障した場合においても同様に行うことが可能である。
まずここで、ＭＯＳ２１〜２６、３１〜３６のいずれかが導通不可となるオフ故障が生じたとき、オフ故障が生じた故障スイッチング手段を特定する故障特定手段について、図３のフローチャートに基づいて説明する。このフローチャートは、スイッチング素子対２７〜２９、３７〜３９ごとに並行して行われるものであり、モータの回転速度ωが所定値以下であるときに所定の間隔（例えば、５ｍｓｅｃ）で行われるものである。ここでは、Ｕ１スイッチング素子対２７についての処理を説明する。

はじめのステップＳ１０（以下、「ステップ」を省略し、単に記号「Ｓ」で示す。）では、Ｕ１相指令電圧Ｖｕ^*１の絶対値が第１の所定値以上、かつ、Ｕ１コイル１１の電流値Ｉｕ１が第２の所定値以下か否かを判断する。なお、本形態では、Ｕ１コイル１１に電流が流れていないことを検出すべく、第２の所定値は電流検出部４１の測定誤差等を考慮したうえで、０に近い値に設定される。Ｕ１相指令電圧Ｖｕ^*１の絶対値が第１の所定値以上、かつ、Ｕ１コイル１１の電流値Ｉｕ１が第２の所定値以下である場合（Ｓ１０：ＹＥＳ）、すなわち電圧が印加されているにも関わらずＵ１コイル１１に電流が流れていない場合、Ｓ１１へ移行する。Ｕ１相指令電圧Ｖｕ^*１の絶対値が第１の所定値以上、かつ、Ｕ１コイル１１の電流値Ｉｕ１が第２の所定値以下でない場合（Ｓ１０：ＮＯ）、Ｓ１２へ移行する。

Ｕ１相指令電圧Ｖｕ^*１の絶対値が第１の所定値以上、かつ、Ｕ１コイル１１の電流値Ｉｕ１が第２の所定値以下である場合（Ｓ１０：ＹＥＳ）に移行するＳ１１では、異常継続時間のカウンタをインクリメントし、Ｓ１３へ移行する。
Ｕ１相指令電圧Ｖｕ^*１の絶対値が第１の所定値以上、かつ、Ｕ１コイル１１の電流値Ｉｕ１が第２の所定値以下でない場合（Ｓ１０：ＮＯ）に移行するＳ１２では、異常継続時間のカウンタをリセットし、Ｓ１３へ移行する。

続くＳ１３では、異常継続時間が所定時間以上経過したか否かを判断する。この異常継続時間の所定時間は、車両等で危険が起きない範囲で任意に設定可能である。異常継続時間が所定時間以上経過していない場合（Ｓ１３：ＮＯ）、Ｓ１４以下の処理を行わない。異常継続時間が所定時間以上経過した場合（Ｓ１３：ＹＥＳ）、Ｓ１４へ移行する。

Ｓ１４では、Ｕ１スイッチング素子対２７が故障した、と特定する。すなわち、Ｕ１指令電圧Ｖｕ^*１の絶対値が第１の所定値以上にも関わらず、Ｕ１コイル１１の電流値Ｉｕ１が第２の所定値以下であることが所定時間以上継続した場合に、Ｕ１スイッチング素子対２７のＭＯＳ２１およびＭＯＳ２４の少なくとも一方がオフ故障していると特定することができる。この場合、Ｕ１スイッチング素子対２７が「故障スイッチング手段」に対応している。
続くＳ１５では、Ｕ１スイッチング素子対２７を含む第１インバータ部２０を故障時相電流指令値に基づく制御に切り替える。この場合、第１インバータ部が「故障インバータ部」に対応している。
本形態では、三相電流指令値Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*が特許請求の範囲における「指令電圧」に対応している。

次に、相電流指令方式による故障時制御手段について説明する。
モータトルクをＴｍ［Ｎｍ］、ロータの回転速度をω［ｒａｄ／ｓ］、各相の誘起電圧をｅｕ、ｅｖ、ｅｗ、各相の電流をＩｕ、Ｉｖ、Ｉｗとすると、モータ１０の出力は、次の式で表される。
Ｔｍ×ω＝ｅｕ×Ｉｕ＋ｅｖ×Ｉｖ＋ｅｗ×Ｉｗ …（１）

また、正常駆動時の相電流は、相電流最大振幅値Ｉｍ［Ａ］として次の式で表される。
Ｉｕ＝Ｉｍｓｉｎθ …（２）
Ｉｖ＝Ｉｍｓｉｎ｛θ−（２／３）π｝ …（３）
Ｉｗ＝Ｉｍｓｉｎ｛θ−（４／３）π｝ …（４）

また、誘起電圧は、逆起電圧定数Ｋｅ［Ｖ／（ｒａｄ／ｓ）］、モータの電気角をθ［ｒａｄ］として、次の式で表される。
ｅｕ＝Ｋｅωｓｉｎθ …（５）
ｅｖ＝Ｋｅωｓｉｎ｛θ−（２／３）π｝ …（６）
ｅｗ＝Ｋｅωｓｉｎ｛θ−（４／３）π｝ …（７）

また、トルク定数Ｋｔ［Ｎｍ／Ａ］、ｑ軸電流をＩｑ［Ａ］とすると、次の式が得られる。
Ｔｍ＝Ｋｔ×Ｉｑ …（８）

また、モータ１０は、三相ブラシレスモータなので、キルヒホッフの法則より、以下の式が成立する。
Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝０ …（１０）
また、逆起電圧定数Ｋｅとトルク定数Ｋｔには、下記の式が成立する。

ここで、Ｕ１スイッチング素子対２７がオフ故障した場合、Ｕ１コイル１１には電流が流れない。したがって、Ｉｕ＝０、また（１０）式よりＩｖ＝−Ｉｗとして、（１）式に（５）〜（７）式を代入して解くと、（１２）式が導出される。

（８）式および（１１）式を、（１２）式に代入すると、（１３）式が導出される。

本形態においては、Ｕ１下ＭＯＳ２４がオフ故障している。そこで、故障インバータ部である第１インバータ部２０においては、故障時相電流指令値に基づき、Ｖ１スイッチング素子対２８及びＷ１スイッチング素子対２９を制御する。（１３）式に基づき、ｑ軸電流指令値をＩｑ^*１とし、相電流最大値がＩｍａｘ、相電流最小値が−Ｉｍａｘであることを考慮すると、Ｖ１コイル１２のＶ１相電流指令値をＩｖ１ｒｅｆ、Ｗ１コイル１３のＷ１相電流指令値をＩｗ１ｒｅｆとすると、Ｉｖ１ｒｅｆ及びＩｗ１ｒｅｆは、ｑ軸電流指令値Ｉｑ^*１とロータの回転位置θの関数である以下の式で表される。

Ｉｖ１ｒｅｆ＝Ｉｍａｘ （Ｉｖ１ｒｅｆ＞Ｉｍａｘ） …（１５）
Ｉｖ１ｒｅｆ＝−Ｉｍａｘ （Ｉｖ１ｒｅｆ＜−Ｉｍａｘ） …（１６）
Ｉｗ１ｒｅｆ＝−Ｉｖ１ｒｅｆ …（１７）
なお、（１４）〜（１７）式に基づいて算出されるＩｖ１ｒｅｆおよびＩｗ１ｒｅｆが故障時相電流指令値である。

ここで、Ｕ１スイッチング素子対２７のＵ１下ＭＯＳ２４がオフ故障した場合における故障時制御手段により制御を行った場合の相電流およびモータトルクを図４に基づいて説明する。なお、図４においては、Ｕ相電流Ｉｕを実線、Ｖ相電流Ｉｖを破線、Ｗ相電流Ｉｗを一点鎖線、通電により発生するトルクを二点鎖線で示した。
図４（ａ）は、正常インバータ部である第２インバータ部３０において、通常と同様のＰＷＭ制御を行った場合の三相電流Ｉｕ２、Ｉｖ２、Ｉｗ２およびコイル１４〜１６への通電により生じるトルクＴｑ２を示したものである。図４（ａ）に示すように、コイル１４〜１６に通電される三相電流Ｉｕ２、Ｉｖ２、Ｉｗ２は、位相が１２０°ずつずれた正弦波となるようにＭＯＳ３１〜３６のオン／オフが切り替えられる。このとき、第２巻線組１９において発生するトルクＴｑ２は、略一定である。

一方、故障インバータ部である第１インバータ部２０においては、ＭＯＳ２４がオフ故障しているので、Ｕ１コイル１１に通電することができず、図４（ａ）に示すような正弦波電流を作出することができない。そこで、（１４）〜（１７）式で算出される故障時相電流指令値Ｉｖ１ｒｅｆ、Ｉｗ１ｒｅｆに基づいて、Ｖ１スイッチング素子対２８であるＭＯＳ２２、２５、および、Ｗ１スイッチング素子対２９であるＭＯＳ２３、２６のオン／オフを制御すると、コイル１１〜１３に通電される三相電流Ｉｕ１、Ｉｖ１、Ｉｗ１は、図４（ｂ）に示すごとくとなる。このとき、第１巻線組１８において発生するトルクＴｑ１は、モータ電気角が９０°および２７０°となるとき、モータトルクが０となるトルク抜けが発生するものの、Ｉｖ１ｒｅｆの絶対値が相電流最大値Ｉｍａｘの絶対値または相電流最小値−Ｉｍａｘの絶対値である相電流最大絶対値｜Ｉｍａｘ｜を下回る区間においては、通常と同様のＰＷＭ制御を行った場合と略同等のトルクを発生することができる。

第１巻線組１８および第２巻線組１９への通電により生じるトルクを図５に示す。図５に実線で示すように、第２巻線組１９において発生するトルクＴｑ２は、電気角に関わらず略一定である。また、破線で示すように、第１巻線組１８において発生するトルクＴｑ１は、電気角９０°及び２７０°においてトルク抜けが発生するものの、故障時相電流指令値Ｉｖ１ｒｅｆ、Ｉｗ１ｒｅｆの絶対値が相電流最大絶対値｜Ｉｍａｘ｜を下回る区間においては、第２巻線組１９により発生するトルクＴｑ２と略同等である。そして、一点鎖線で示すように、第１巻線組１８により発生するトルクＴｑ１と第２巻線組１９により発生するトルクＴｑ２との合算トルクＴｑ３は、いずれの電気角においても０となることがない。また、故障時相電流指令値Ｉｖ１ｒｅｆ、Ｉｗ１ｒｅｆの絶対値が相電流最大絶対値｜Ｉｍａｘ｜を下回る区間においては、正常時と略同等のトルクを発生することができる。
ここではＵ１下ＭＯＳ２４がオフ故障した場合を例に説明したが、他のＭＯＳが故障した場合においても、同様に制御される。なお、他の相のＭＯＳが故障した場合には、トルク抜けが発生する箇所は異なるが、本形態で説明したのと同様に、位相が１８０°異なる２箇所でトルク抜けが発生する。

以上詳述したように、制御部６０は、故障特定手段および故障時制御手段を有している。故障特定手段は、例えばＵ１下ＭＯＳ２４が導通不可となるオフ故障が生じたとき、Ｕ１スイッチング素子対２７を故障スイッチング手段として特定する。故障時制御手段は、ロータの回転位置θとｑ軸電流指令値Ｉｑ^*１との関数である（１４）〜（１７）式に基づいて、故障時相電流指令値Ｉｖ１ｒｅｆ、Ｉｗ１ｒｅｆを算出する。そして故障時制御手段は、故障スイッチング手段として特定されたＵ１スイッチング素子対２７を含む第１インバータ部２０において故障時相電流指令値Ｉｖ１ｒｅｆ、Ｉｗ１ｒｅｆに基づき、Ｖ１スイッチング素子対２８およびＷ１スイッチング素子対２９を制御する。また、故障時制御手段は、第２インバータ部３０を、通常時と同様に制御する。

本形態では、複数のインバータ部２０、３０を備えており、Ｕ１下ＭＯＳ２４が故障したとしても、Ｕ１下ＭＯＳ２４を含まないインバータ部３０において、正常時と同様に制御を行うので、トルクが全く発生しない区間が生じない。また、ロータの回転位置θとｑ軸電流指令値Ｉｑ^*１との関数として故障時相電流指令値Ｉｖ１ｒｅｆ、Ｉｗ１ｒｅｆを算出する。そして、故障時相電流指令値Ｉｖ１ｒｅｆ、Ｉｗ１ｒｅｆに基づき、スイッチング素子対２８、２９を用いて、第１インバータ部２０を駆動し、第１巻線組１８への通電を継続するように制御するので、トルクの低下を極力抑えることができる。他のＭＯＳが故障した場合においても同様に制御することができる。すなわち、故障インバータ部においては、故障スイッチング手段として特定されたスイッチング素子対に対応する巻線電流を０として算出される故障時相電流指令値に基づいてオフ故障していないスイッチング素子対を制御し、正常インバータ部を通常と同様に制御する。これにより、ＭＯＳ２１〜２６、３１〜３６にオフ故障が発生した場合であっても、トルクが全く発生しない区間がなく、またトルクの低下を極力抑えた状態でモータ１０の駆動を継続することができるので、より安全にモータ１０の駆動を継続することができる。また、本形態では、故障時相電流指令値Ｉｖ１ｒｅｆ、Ｉｗ１ｒｅｆをロータの回転位置θとｑ軸電流指令値Ｉｑ^*１との関数として算出しているため、特に故障時相電流指令値Ｉｖ１ｒｅｆ、Ｉｗ１ｒｅｆの絶対値が相電流最大絶対値｜Ｉｍａｘ｜を下回る区間においては、予めテーブルとして相電流指令値を記憶する場合と比較して、より精密に発生するトルクを制御することが可能である。また、記憶部の容量を小さくすることができ、ひいては装置全体の小型化・低コスト化に寄与する。

また、故障特定手段は、Ｕ１スイッチング素子対２７に対する指令電圧値が所定値以上であり、かつ、Ｕ１スイッチング素子対２７に対応する巻線であるＵ１コイル１１に電流が流れていないと判断された場合、Ｕ１スイッチング素子対２７が故障した、と特定する。指令電圧値が所定値以上であるにも関わらず、Ｕ１コイル１１に電流が通電されていないとき、Ｕ１スイッチング素子対２７がオフ故障していると特定するので、オフ故障を容易に特定することができる。なお、本形態においては、Ｕ１スイッチング素子対２７が故障した例について説明したが、他のスイッチング素子対２８、２９、３７〜３９が故障した場合においても同様にスイッチング素子対のオフ故障を特定することができる。
なお、本形態における制御部６０が、「故障特定手段」および「故障時制御手段」を構成し、図３のＳ１０〜Ｓ１４が「故障特定手段」の機能としての処理に相当する。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による制御装置における故障時制御を図６に基づいて説明する。なお、本形態による制御装置の回路構成は、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。本形態においても、Ｕ１下ＭＯＳ２４がオフ故障した場合を例に説明するものとし、故障インバータ部である第１インバータ部２０においては、第１実施形態と同様に制御するものとする。したがって、第１巻線組１８に通電される三相電流Ｉｕ１、Ｉｖ１、Ｉｗ１及び発生するトルクＴｑ１は、図４（ｂ）に示すごとくである。
第１実施形態では、図５に示すように、第１巻線組１８におけるトルクの低下に伴い、合算トルクＴｑ３も２箇所でトルクが低下している。そこで、本形態では、第１巻線組１８において低下するトルク分を補うように第２インバータ部３０を制御する。

本形態では、第１インバータ部２０において、Ｕ１下ＭＯＳ２４がオフ故障していないときに通常時と同様に制御した場合に発生するトルクと、Ｕ１下ＭＯＳ２４がオフ故障していないときに（１４）〜（１７）式により算出される故障時相電流指令値Ｉｖ１ｒｅｆ、Ｉｗ１ｒｅｆに基づいて制御した場合に発生するトルクとの差分トルクを算出し、この差分トルクに基づいて第２インバータ部３０におけるｑ軸電流指令値Ｉｑ^*２を補正して第２インバータ部３０を制御する。このとき、図６に示すように、Ｕ２コイル１４に通電される電流Ｉｕ２は実線で示すごとくであり、Ｖ２コイル１５に通電される電流Ｉｖ２は破線で示すごとくであり、Ｗ２コイル１６に通電される電流Ｉｗ２は一点鎖線で示すごとくである。このとき、第２巻線組１９への通電により発生するトルクＴｑ２は、二点鎖線で示すように、第１インバータ部２０においてトルク抜けを生じる電気角９０°、２７０°を中心とする区間において低下するトルク分を補うようなトルクとなる。このように制御した場合、第１巻線組１８により発生するトルクＴｑ１（図４（ｂ）参照）と第２巻線組１９により発生するトルクＴｑ２との合算トルクＴｑ４は、全ての電気角において略一定であり、ＭＯＳ２１〜２６、３１〜３６が全て正常である場合と略同等のトルクを発生する。

本形態では、Ｕ１下ＭＯＳ２４が故障したことにより減少した分の差分トルクを補うように、正常インバータ部である第２インバータ部３０を制御するので、トルクの減少を抑制することができる。なお、本形態においては、第１インバータ部２０において、故障していないスイッチング素子対２８、２９による駆動を継続しているので、第１巻線組１８により発生するトルクが減少している区間は、電気角９０°を中心とする区間と、２７０°を中心とする区間のみであり、その他の区間おいては、正常時と略同様のトルクを発生している。そのため、Ｕ１下ＭＯＳ２４の故障により低下したトルク分を補うように第２インバータ部３０を駆動したとしても、第１インバータ部２０を全く駆動しない場合と比較して、発熱量は少ない。したがって、インバータ部２０、３０の体格を大きく変えることなく略同等のトルクを発生させることができる。

以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
（ア）電流検出部の位置
電流検出部の設置位置の例を図７に示す。なお、図７においては、第１インバータ部２０のＭＯＳ２１〜２６、第１巻線組１８のみを示し、逆接防止用のＭＯＳ２００や第２インバータ部３０、第２巻線組１９、制御部６０等は省略している。なお、ここでは第１インバータ部２０について説明するが、他のインバータ部においても同様に設置可能である。また、インバータ部ごとに異なる箇所に設置してもよい。

図７（ａ）は、図１と対応しており、電流検出部４１〜４３は、下ＭＯＳ２４〜２６とグランドとの間に設けられる。図７（ｂ）に示すように、電流検出部４１〜４３は、上ＭＯＳ２１〜２３と電源との間に設けることができる。また、図７（ｃ）に示すように、上ＭＯＳ２１と下ＭＯＳ２４の接続点とＵ１コイル１１との間にＵ１電流検出部４１を設け、上ＭＯＳ２２と下ＭＯＳ２５の接続点とＶ１コイル１２との間にＶ１電流検出部４２を設け、上ＭＯＳ２３と下ＭＯＳ２６の接続点とＷ１コイル１３との間にＷ１電流検出部４３を設けてもよい。図７（ｃ）に示す箇所に電流検出部を設ける場合、シャント抵抗に替えて、ホール素子を用いることが好ましい。
なお、図７（ａ）〜（ｃ）の例において、ｎ相のうちの１相分の電流検出部を省いても、キルヒホッフの法則（Ｉ１＋Ｉ２＋Ｉ３＋・・・＋Ｉｎ＝０）により全ての相の電流を検出することができる。

また、図７（ｄ）に示すように、下ＭＯＳ２４〜２６の接続点とグランドとの間に電流検出部４８を設けてもよい。さらにまた、図７（ｅ）に示すように、上ＭＯＳ２１〜２３の接続点と電源との間に電流検出部４９を設けてもよい。図７（ｄ）、（ｅ）に示すような１箇所に電流検出部を設ける場合には、電流検出のタイミングを適切に設定することにより、全ての相に通電される電流を検出することができる。

（イ）その他の変形例
上記実施形態では、故障時相電流指令値は、ロータの回転位置θとｑ軸電流指令値Ｉｑとの関数で算出していた。ここで、ｑ軸電流をＩｑ、モータが発生するトルクをＴｍ、比例定数をＫとすると、以下の式が成り立つ。
Ｔｍ＝Ｋ×Ｉｑ …（１８）
すなわち、モータが発生するトルクは、ｑ軸電流に比例している。したがって、故障時相電流指令値を算出する上記実施形態における式（１４）〜（１７）は、トルク指令値を用いて表すことも可能である。すなわち、故障時相電流指令値は、モータのトルク指令値とロータ角度の関数として算出してもよい、ということである。

上記実施形態では、多相回転機は、いずれもモータであったが、モータに限らず発電機であってもよい。また、多相回転機の制御装置を電動パワーステアリング装置に用いたが、多相回転機はＥＰＳに限らず、例えばハイブリッド用主機モータ、パワーウインド等、ＥＰＳ以外のものに用いることができる。

１：制御装置、１０：三相モータ（回転機）、１１〜１６：コイル（巻線）、１８：第１巻線組、１９：第２巻線組、２０：第１インバータ部、２１〜２６：ＭＯＳ、２７〜２９：スイッチング素子対（スイッチング手段）、３０：第２インバータ部、３１〜３６：ＭＯＳ、３７〜３９：スイッチング素子対（スイッチング手段）、４０〜４９：電流検出部、５０：コンデンサ、５１〜５６：半導体モジュール、６０：制御部（故障特定手段、故障時制御手段）、６１：マイコン、６２、６３：プリドライバ、６９：位置センサ（回転位置検出手段）、７０：電源、７１：チョークコイル、９１：ステアリング、９２：コラム軸、９３：ギア、９４：トルクセンサ

Claims (4)

1. 複数の巻線組を構成し前記巻線組ごとに複数相となるように巻線が巻回されるステータ、当該ステータに対し相対回転するロータ、当該ロータと共に回転するシャフトを有する多相回転機を制御する制御装置であって、
   前記巻線組ごとに設けられ、前記巻線の各相に対応するスイッチング手段を有する複数のインバータ部と、
   前記ロータの回転位置を検出する回転位置検出手段と、
   前記複数の巻線に通電される電流を前記巻線ごとに検出する電流検出部と、
   前記スイッチング手段のオンおよびオフを切り替えることにより、前記巻線に通電される電流を制御する制御部であって、前記スイッチング手段が導通不可となるオフ故障が生じたとき、オフ故障が生じたスイッチング手段である故障スイッチング手段を特定する故障特定手段、および、前記故障特定手段により特定された前記故障スイッチング手段を含む前記インバータ部である故障インバータ部において、前記回転位置とトルク指令値との関数、または、前記回転位置とｑ軸電流指令値との関数として算出される故障時相電流指令値に基づき前記故障インバータ部の前記故障スイッチング手段を除く前記スイッチング手段を制御するとともに、前記故障インバータ部ではない正常インバータ部を通常時と同様に制御する故障時制御手段を有する制御部と、
   を備えることを特徴とする多相回転機の制御装置。
2. 前記故障特定手段は、前記スイッチング手段に対する指令電圧の絶対値が所定値以上であり、かつ、当該スイッチング手段に対応する前記巻線に電流が流れていないと判断された場合、当該スイッチング手段がオフ故障したと特定することを特徴とする請求項１に記載の多相回転機の制御装置。
3. 前記故障時制御手段は、
   前記故障スイッチング手段がオフ故障していないときに通常時と同様に制御した場合に発生するトルクと、前記故障スイッチング手段がオフ故障したときに前記故障時相電流指令値に基づいて制御した場合に発生するトルクとの差分である差分トルクを算出し、当該差分トルクに基づいて前記正常インバータにおけるｑ軸電流指令値を補正して前記正常インバータ部を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の多相回転機の制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の多相回転機の制御装置を用いた電動パワーステアリング装置。

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