JP2011152027A - 電動機駆動装置、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】多系統電動機駆動装置を低コストで提供する。
【解決手段】モータ８０を駆動する２系統電動機駆動装置２において、電流検出器７５１、７５２が検出したインバータ６０１、６０２の出力電流は各相毎に加算され、出力電流の和であるＩｕ、Ｉｖ、Ｉｗが３相２相変換手段２５にフィードバックされ、座標変換される。また、２相３相変換手段３５は、同一の３相電圧指令値ＰＷＭｕ、ＰＷＭｖ、ＰＷＭｗを２個のインバータ６０１、６０２へ分岐して出力する。これにより、３相２相変換手段２５の個数、２相３相変換手段３５の個数はいずれも１個であり、インバータの個数である２個より少ない。そのため、マイコンの演算負荷を低減することができ、低コストで２系統電動機駆動装置２を提供できる。
【選択図】図４

Description

本発明は、複数のインバータによって多相電動機を駆動する電動機駆動装置、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。

電動機駆動装置の小型化または高出力化の手法として、スイッチング素子の直列および並列化、並びに複数のインバータによる多系統化がある。電動機が適用される製品の中には、例えば自動車用モータのように、故障しても動作を継続させることを要求されるものがある。こういった製品要求への対応手法としても、電動機の複数巻き線化、スイッチング素子の直列および並列化、並びに複数のインバータによる多系統化は利用されている。また自動車用操舵装置を例にとると、モータのわずかな振動も運転者に直接伝わるため、自動車用モータの中には、特に高精度かつ高速な応答性を求められるものがある。

複数台の電力変換器（インバータ）を介して多相交流電動機に供給する、特許文献１に記載の交流電動機制御装置は、「複数台の電力変換器の出力電流を検出する検出手段」と、「前記電力変換器の一方の電流検出値を回転座標に変換する第１の座標変換手段と前記電力変換器の他方の電流検出値を回転座標に変換する第２の座標変換手段」と、「前記第１と第２の座標変換手段の出力信号から平均出力電流値を求める平均値演算手段」と、「前記平均値演算手段の出力と励磁電流指令値及びトルク電流指令値とから代表の２相電圧指令値を生成する電圧指令生成手段」と、「前記第１と第２の座標変換手段の出力とから補正信号を生成する補正信号生成手段」と、「前記補正信号生成手段の出力と前記電圧指令生成手段の出力とから複数の２相電圧指令値を生成する電圧指令補正手段」と、「前記電圧指令補正手段の出力から３相電圧指令を生成する複数の指令座標変換手段」とから構成され、多相交流電動機の不平衡電流を低減することを特徴としている。

特許２６１４７８８号公報

特許文献１の従来技術では、回転座標を扱う演算である座標変換手段および指令座標変換手段がインバータの個数と同じ個数だけ必要な構成になっている。一般に回転座標を扱う演算は三角関数などを多用するため、マイコンにとって演算負荷が高く、システムを多系統化するために高価なマイコンを使用する必要があり、多系統電動機駆動装置を低コストで作ることができないという課題があった。

本発明は、上記従来技術の未解決の課題に着目してなされたものであり、多系統化されても演算負荷を低く抑えることで、多系統電動機駆動装置を低コストで提供することを目的とする。

請求項１に記載の電動機駆動装置は、下記（ａ）〜（ｆ）の構成を採用する。ここで、「：」以下は、その構成について説明する。
（ａ）直流電源
（ｂ）インバータ：直流電源の電力を交流電力に変換して３相交流電動機に供給する。インバータは複数ある。
（ｃ）相電流検出手段：複数のインバータの出力電流を検出する。
（ｄ）３相２相変換手段：相電流検出手段が検出した３相の相電流検出値を、ｄ軸電流およびｑ軸電流の２相に変換する。ｄ軸電流は磁束の向きに平行な電流で励磁電流または界磁電流ともいう。ｑ軸電流は磁束の向きに直交する電流でトルク電流ともいう。３相２相変換手段とは、３相交流を、等価な２相電流に変換することを指す。具体的にはｄｑ軸電流変換、αβ変換などを指す。本発明では、ｄｑ変換を例にあげて説明する。
（ｅ）電流制御演算：3相2相変換手段の変換したｄ軸電流およびｑ軸電流の検出値と、ｄ軸電流指令値及およびｑ軸電流指令値とに基づき、代表の２相電圧指令値を生成する。
（ｆ）２相３相変換手段：2相の電流制御演算の出力から３相電圧指令値を生成する。３相は、例えばＵ相、Ｖ相、Ｗ相と表される。
ここで、（ｄ）３相２相変換手段の個数、及び、（ｆ）２相３相変換手段の個数は、いずれも（ｂ）インバータの個数より少ないことを特徴とする。

参考までに（ａ）〜（ｆ）の構成を特許文献１に記載の従来の構成と比較する。「：」以下は、特許文献１に記載された、相当する構成を示す。
（ａ）直流電源：同じである。
（ｂ）インバータ：「電力変換器」がこれに相当する。
（ｃ）相電流検出手段：「検出手段」がこれに相当する。
（ｄ）３相２相変換手段：「座標変換手段」がこれに相当する。
（ｅ）電流制御演算：「電圧指令生成手段」がこれに相当する。
（ｆ）２相３相変換手段：「指令座標変換手段」がこれに相当する。

特許文献１では、（ｄ）座標変換手段および（ｆ）指令座標変換手段は、（ｂ）電力変換器（インバータ）の個数と同じ個数だけ必要な構成になっている。一般に回転座標を扱う演算は三角関数などを多用するため、マイコンにとって演算負荷が高く、システムを多系統化するために高価なマイコンを使用する必要があり、多系統電動機駆動装置を低コストで作ることができなかった。
それに対し本発明の構成では、（ｄ）３相２相変換手段および（ｆ）２相３相変換手段の個数を（ｂ）インバータの個数よりも少なくできるため、マイコンの演算負荷を低減でき、多系統電動機駆動装置を低コストで作ることが可能となる。

請求項２に記載の電動機駆動装置は、各相毎の相電流検出値の和を（ｄ）３相２相変換手段に入力することを特徴としている。これにより、請求項１における（ｄ）３相２相変換手段の個数を（ｂ）インバータの個数よりも少なくすることを具現化できる。

請求項３に記載の電動機駆動装置は、（ｆ）２相３相変換手段の出力を（ｂ）複数のインバータへの同一の３相電圧指令値とすることを特徴としている。これにより、請求項１における（ｆ）２相３相変換手段の個数を（ｂ）インバータの個数よりも少なくすることを具現化できる。

請求項４に記載の電動パワーステアリング装置は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電動機駆動装置を用いたものである。電動パワーステアリング装置は、滑らかな操舵フィーリングを実現するため、例えば５００μｓｅｃの高速演算を要求される装置である。この要求を実現するために高価なマイコンが使用されており、また、多系統化するためにはより高価なマイコンが必要となる。そのため、（ｄ）３相２相変換手段および（ｆ）２相３相変換手段の個数を（ｂ）インバータの個数よりも少なくできることは、電動パワーステアリング装置において、より大きなコスト低減効果を奏する。

電動パワーステアリング装置の構成図 電動パワーステアリング装置の制御ブロック図 ２系統電動機駆動装置の回路図 本発明の一実施形態の電動機駆動装置の模式図 本発明の他の実施形態の電動機駆動装置の模式図 本発明の他の実施形態の電動機駆動装置の模式図 本発明の他の実施形態の電動機駆動装置の模式図

以下、本発明の実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。
本発明の電動機駆動装置は、例えば、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適用される。
図１は、電動パワーステアリング装置１を備えたステアリングシステム９０の全体構成を示す。ハンドル９１に接続されたステアリングシャフト９２には、操舵トルクを検出するためのトルクセンサ９４が設置されている。ステアリングシャフト９２の先端にはピニオンギア９６が設けられており、ピニオンギア９６はラック軸９７に噛み合っている。ラック軸９７の両端には、タイロッド等を介して一対の車輪９８が回転可能に連結されている。ステアリングシャフト９２の回転運動は、ピニオンギア９６によってラック軸９７の直線運動に変換され、ラック軸９７の直線運動変位に応じた角度について一対の車輪９８が操舵される。

電動パワーステアリング装置１は、操舵アシストトルクを発生するモータ８０、モータ８０の回転角度を検出する回転角センサ８５、モータ８０の回転を減速してステアリングシャフト９２に伝える減速ギア８９、及び、ＥＣＵ５を備える。ＥＣＵ５は、モータの駆動を制御する電動機駆動装置２を含む。モータ８０は３相ブラシレスモータであり、減速ギア８９を正逆回転させる。
この構成により、電動パワーステアリング装置１は、ハンドル９１の操舵を補助するための操舵アシストトルクを発生し、ステアリングシャフト９２に伝達する。

図１に示す如く、電動パワーステアリング装置１ではモータ８０がハンドル９１に直結しており、モータ８０の振動が運転者の手に直接伝わる構成になっている。そのため、図２に示す電動パワーステアリング装置の制御ブロックの模式図において、電流指令値演算１５から電流制御演算２０までを５００μｓｅｃの高速で演算することが要求される。

図２は、電動パワーステアリング装置１の制御ブロック図である。トルクセンサ９４による操舵トルク検出値、及び、車速センサ９５による車速検出値は、電流指令値演算１５に入力される。電流指令値演算１５は、電流制御手段２０に指令値を出力する。電流制御手段２０は、例えば、ｄｑ制御手段である。

電流制御手段２０は、３相２相変換手段２５、電流制御演算３０、及び、２相３相変換手段３５から構成される。３相２相変換手段２５は、例えば、ｄｑ軸電流変換手段であり、電流制御演算３０は、例えば、Ｐ制御演算、ＰＩ制御演算、ＰＩＤ制御演算等である。

３相２相変換手段２５は、電流検出器７５が検出した相電流検出値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを、回転角センサ８５が検出しフィードバックされたモータ電気角θに基づき、磁束の向きに平行なｄ軸電流と、磁束の向きに直交するｑ軸電流とに座標変換する。なお、ｄ軸電流は励磁電流または界磁電流、ｑ軸電流はトルク電流ともいう。３相２相変換手段２５が出力するｄ軸電流、ｑ軸電流は、電流指令値演算１５の指令値にフィードバックされ、指令値と検出値との差に基づき、電流制御演算３０が比例積分制御によって出力値を演算する。
電流制御演算３０の出力した２相電圧指令値は、２相３相変換手段３５によってＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相電圧指令値に変換されてインバータ６０に出力される。回転角センサ８５が検出したモータ電気角θは、２相３相変換手段３５にもフィードバックされる。
なお、電流制御手段２０は、具体的にはマイコンに相当する。

インバータ６０が生成した交流電力はモータ巻線８００に供給され、モータ８０を駆動する。電流検出器７５は、インバータ６０の出力電流を各相毎に検出する。回転角センサ８５は、モータ電気角θを検出する。
電流制御手段２０とインバータ６０とは、電力制御ブロック９を構成する。また、電力制御ブロック９と電流検出器７５とは、電動機駆動装置２を構成する。

図３は、２系統電動機駆動装置の回路図を示す。直流電源５０は、図の上側に示される第１系統と、図の下側に示される第２系統に並列に電力を供給する。
各系統は、電源リレー５５１、５５２、インバータ６０１、６０２、モータ巻線８０１、８０２から構成される。電源リレー５５１、５５２は、インバータ６０１、６０２への電力供給を導通または遮断する。インバータ６０１、６０２は直流電力から３相交流電力を生成する。モータ巻線８０１、８０２は、回転軸に対称に配置されてモータ８０を構成し、モータ８０はインバータ６０１、６０２から３相交流電力を供給されて駆動される。なお、モータ巻線８０１、８０２はΔ結線で図示されているが、Ｙ結線であってもよい。電流検出器７５１，７５２はインバータ６０１、６０２の出力電流を各相毎に検出する。

インバータ６０１、６０２は、それぞれ６個のスイッチング素子から構成される。ここで、スイッチング素子として用いられるＭＯＳ電解効果トランジスタを、単に「ＭＯＳ」という。また、電源電圧側のＭＯＳを「上ＭＯＳ」、グランド側のＭＯＳを「下ＭＯＳ」という。６個のスイッチング素子は、Ｕ相上ＭＯＳ６１１、６１２、Ｖ相上ＭＯＳ６２１、６２２、Ｗ相上ＭＯＳ６３１、６３２、Ｕ相下ＭＯＳ６４１、６４２、Ｖ相下ＭＯＳ６５１、６５２、Ｗ相下ＭＯＳ６６１、６６２である。

なお、３系統以上の多系統の場合は、同様の系統が並列に追加される。電動機駆動装置を多系統にすることにより、一部の系統が故障してもモータ８０の動作を継続させることができ、モータ８０が適用される製品の信頼性を高めることができる。

図４は本発明の実施形態の電動機駆動装置の模式図であり、２系統の場合を示す。この場合、インバータ６０の個数は２個である。
各構成要素の機能は、概ね図２の制御ブロック図で説明したとおりである。電流指令値演算１５は、ｄ軸電流指令値ＩＤｒｅｆおよびｑ軸電流指令値ＩＱｒｅｆを出力する。電流制御演算３０は、ｄ軸電流指令値ＩＤｒｅｆおよびｑ軸電流指令値ＩＱｒｅｆと、３相２相変換手段２５が出力するｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑとに基づき、代表の２相電圧指令値Ｖｄ、Ｖｑを生成する。２相３相変換手段３５は、２相電圧指令値Ｖｄ、Ｖｑから３相電圧指令値ＰＷＭｕ、ＰＷＭｖ、ＰＷＭｗを生成し、インバータ６０１、６０２に出力する。インバータ６０１は、３相交流電圧Ｖｕ１、Ｖｖ１、Ｖｗ１をモータ巻線８０１に供給する。インバータ６０２は、３相交流電圧Ｖｕ２、Ｖｖ２、Ｖｗ２をモータ巻線８０２に供給する。

電流検出器７５１は、インバータ６０１の出力電流を検出し、相電流検出値Ｉｕ１、Ｉｖ１、Ｉｗ１を出力する。電流検出器７５２は、インバータ６０２の出力電流を検出し、相電流検出値Ｉｕ２、Ｉｖ２、Ｉｗ２を出力する。これらの相電流検出値は、各相毎に加算され、出力電流の和であるＩｕ、Ｉｖ、Ｉｗが３相２相変換手段２５にフィードバックされ、３相２相変換される。そのため、３相２相変換手段２５の個数は１個でよく、すなわち、インバータ６０の個数である２個より少なくすることができる。
３相２相変換手段２５が１個であるので、座標変換後のｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑは１組であり、それらに対応して処理するための電流制御演算３０および２相３相変換手段３５も１個ずつでよい。すなわち、電流制御手段２０が１個となる。

また、２相３相変換手段３５は、同一の３相電圧指令値ＰＷＭｕ、ＰＷＭｖ、ＰＷＭｗを２個のインバータ６０１、６０２へ分岐して出力する。こうすることで、２相３相変換手段３５の個数を１個とし、インバータ６０の個数である２個より少なくすることができる。

次に、Ｎ系統の場合を説明する。ここで、Ｎは３以上の整数である。インバータ６０の個数はＮ個である。
第１系統から第Ｎ系統までの各系統の電流検出器７５は、インバータ６０の出力電流を検出し、相電流検出値Ｉｕ１、Ｉｖ１、Ｉｗ１・・・ＩｕＮ、ＩｖＮ、ＩｗＮを出力する。これら（３×Ｎ）個の相電流検出値は、各相毎に加算され、出力電流のＮ個の和であるＩｕ、Ｉｖ、Ｉｗが３相２相変換手段２５にフィードバックされ、３相２相変換される。この場合、３相２相変換手段２５の個数は１個であり、インバータ６０の個数であるＮ個より少ない。

ここで、３相２相変換手段２５の個数が１個で、２相３相変換手段３５の個数も１個の場合、２相３相変換手段３５は、同一の３相電圧指令値ＰＷＭｕ、ＰＷＭｖ、ＰＷＭｗをＮ個のインバータ６０へ分岐して出力する。この場合、２相３相変換手段３５の個数は１個であり、インバータ６０の個数であるＮ個より少ない。

図５は、Ｎ＝３の実施例を示す。電流制御手段２０は、１個の３相２相変換手段２５、及び、１個の２相３相変換手段３５を有する。２相３相変換手段３５は、３系統のインバータ６０１〜６０３へ３相電圧指令値ＰＷＭｕ、ＰＷＭｖ、ＰＷＭｗを出力する。インバータ６０１〜６０３は、それぞれ、モータ巻線８０１〜８０３に３相交流電力Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを供給する。

あるいは、Ｎ系統をいくつかのグループに分割して、各グループ毎に相電流検出値を加算してもよい。例えばＮ系統をＭ個のグループに分割する。ＭはＮより小さい整数である。各グループ毎の相電流検出値の和は、Ｍ個の３相２相変換手段２５にフィードバックされ、Ｍ組のｄ軸電流とｑ軸電流とにｄｑ変換される。この場合、３相２相変換手段２５の個数はＭ個であり、インバータ６０の個数であるＮ個より少ない。

図６は、Ｎ＝４、Ｍ＝２の実施例を示す。電流制御手段２０は、２個の３相２相変換手段２５１、２５２、及び、１個の２相３相変換手段３５を有する。２相３相変換手段３５は、４系統のインバータ６０１〜６０４へ３相電圧指令値ＰＷＭｕ、ＰＷＭｖ、ＰＷＭｗを出力する。インバータ６０１〜６０４は、それぞれ、モータ巻線８０１〜８０４に３相交流電力Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを供給する。

また、Ｎ系統をＭ個のグループに分割する場合、３相２相変換手段２５の個数をＭ個とし、２相３相変換手段３５の個数もＭ個としてもよい。Ｍ個の２相３相変換手段３５は、グループ毎にそれぞれ同一の３相電圧指令値ＰＷＭｕ、ＰＷＭｖ、ＰＷＭｗをそのグループのインバータ６０へ分岐して出力する。この場合、２相３相変換手段３５の個数はＭ個であり、インバータ６０の個数であるＮ個より少ない。

図７は、Ｎ＝４、Ｍ＝２の実施例を示す。電流制御手段２０は、２個の３相２相変換手段２５１、２５２、及び、２個の２相３相変換手段３５１、３５２を有する。２相３相変換手段３５１は、インバータ６０１およびインバータ６０２へ３相電圧指令値ＰＷＭｕ、ＰＷＭｖ、ＰＷＭｗを出力し、２相３相変換手段３５２は、インバータ６０３およびインバータ６０４へ３相電圧指令値ＰＷＭｕ、ＰＷＭｖ、ＰＷＭｗを出力する。

特許文献１に記載の従来技術では電流指令電圧を出力する部分が高負荷となっていた。それに対し本発明では、電流制御手段２０において、上述のように、３相２相変換手段２５および２相３相変換手段３５の個数をインバータ６０の個数より少なくしてマイコンの演算負荷を低減できる。したがって、多系統電動機駆動装置を低コストで提供できる。特に、高速演算を要求される電動パワーステアリング装置において、より大きな効果を奏する。

以上、本発明はこのような実施形態に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、種々の形態で実施することができる。

１：電動パワーステアリング装置、２：電動機駆動装置、５：ＥＣＵ、９：電力制御ブロック、１５：電流指令値演算、２０：電流制御御手段、２５：３相２相変換手段、３０：電流制御演算、３５：２相３相変換手段、５０：直流電源、５５１、５５２：電源リレー、６０、６０１、６０２：インバータ、６１１〜６６２：スイッチング素子、７５、７５１、７５２：電流検出器、８０：モータ、８００、８０１、８０２：モータ巻線、８５：回転角センサ、８９：減速ギア、９０：ステアリングシステム、９１：ハンドル、９２：ステアリングシャフト、９４：トルクセンサ、９５：車速センサ、９６：ピニオンギア、９７：ラック軸、９８：車輪

Claims (4)

1. 直流電源と、
   前記直流電源の電力を交流電力に変換して３相交流電動機に供給する複数のインバータと、
   前記複数のインバータの出力電流を検出する相電流検出手段と、
   前記相電流検出手段が検出した各相の相電流検出値を、ｄ軸電流およびｑ軸電流に変換する３相２相変換手段と、
   前記３相２相変換手段の変換したｄ軸電流およびｑ軸電流の検出値と、ｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値とに基づき、代表の２相電圧指令値を生成する電流制御演算と、
   前記電流制御演算の出力から３相電圧指令値を生成する２相３相変換手段と、
   を有し、
   前記３相２相変換手段の個数、及び、前記２相３相変換手段の個数は、いずれも前記インバータの個数より少ないことを特徴とする電動機駆動装置。
2. 各相毎の前記相電流検出値の和を前記３相２相変換手段に入力することを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動装置。
3. 前記２相３相変換手段の出力を前記複数のインバータへの同一の３相電圧指令値とすることを特徴とする請求項１または２に記載の電動機駆動装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の電動機駆動装置を用いた電動パワーステアリング装置。

Images