JP2013141335A

JP2013141335A - モータ駆動システム、及びその制御方法

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Publication number: JP2013141335A
Application number: JP2011289595A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Okumatsu; 美宏奥松
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2013-07-18
Anticipated expiration: 2031-12-28
Also published as: JP5678880B2

Abstract

【課題】故障時のトルクリップルを改善する技術を提供する。
【解決手段】５相モータ２０と、５相インバータ１０と、スター結線された各コイル間に挿入された複数の接点を用いて、コイルのうち少なくとも何れか１つのコイルへの供給電力を遮断可能となるように構成されたパワーリレー３０と、５相インバータ１０の制御信号を生成することで、５相モータ２０の駆動を制御する制御部と、を備え、制御部は、５相モータ２０の１相以上が故障した場合に、当該故障した相に対応するパワーリレー３０の接点を開放し、残る相のうちで、略同一間隔となる３相以上の相を駆動するものとし、制御部は、３相を駆動することで発生するトルクの脈動成分を打ち消すように、３相の各相における電流値を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータ駆動システム、モータ駆動システムの制御方法、及び、走行装置に関する。

この種の技術として、特許文献１は、５相の相を有するモータについて、そのうちの１相が故障した場合の、モータ駆動に利用する相の切り替えについて開示している。

国際公開第2011/089656号

以下、上記特許文献１のモータ制御システムについて、図面を参照しつつ、詳細に説明する。

例えば、倒立制御を行いながら走行する走行装置では、車輪を回転させるモータを駆動することで倒立状態を維持する。このため、モータに関する電気部品が故障してその機能が停止した場合には、倒立状態を維持することができず走行装置が不安定状態となり、転倒するおそれがある。このため、モータに関する電気部品が１箇所でも故障した場合においても、モータの駆動が継続されることが強く要求される。このため、上記特許文献１のモータ駆動システムにおいて、例えばモータの巻線を５相スター結線として、ベクトル制御により５相モータを駆動する構成とし、１相又は２相が故障した場合には、駆動に利用するモータの相を５相から３相へと切替える機構を採用することで、巻線を冗長化してシステムの二重化を図っている。

図１は、本実施の形態に係るモータ駆動回路１００の構成図である。モータ駆動回路１００は、電源から直流電圧が供給される５相インバータ１０と、５相モータ２０と、パワーリレー３０と、を備えている。

５相インバータ１０は、５相（ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ）のアーム回路を備えている。各相のアーム回路は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１０を用いて構成される。例えば、ａ相アーム回路はスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２から構成され、ｂ相アーム回路はスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４から構成され、ｃ相アーム回路はスイッチング素子Ｑ５、Ｑ６から構成され、ｄ相アーム回路はスイッチング素子Ｑ７、Ｑ８から構成され、ｅ相アーム回路はスイッチング素子Ｑ９、Ｑ１０から構成される。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１０のオンオフは、後述する制御部４０からのスイッチング制御信号Ｓ１〜Ｓ１０によって制御される。

また、５相インバータ１０は、制御部４０からのスイッチング制御信号Ｓ１〜Ｓ１０に応答したスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１０のオンオフ制御（スイッチング制御）により、直流電力から交流電力への双方向の電力変換を行なう。

尚、スイッチング素子としては、電力用ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタ、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、或いは、電力用バイポーラトランジスタ等を用いることができる。

５相モータ２０は、図示しない回転子と、固定子に設けられた５相のコイル巻線（Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ、Ｌｄ、Ｌｅ）と、を備えたブラシレスモータである。例えば、コイル巻線Ｌａの一端は、コイル巻線Ｌｃの一端と接続され、コイル巻線Ｌａの他端は、５相インバータ１０のａ相アームに接続される。尚、５相モータ２０は、回転子に永久磁石が取り付けられた永久磁石モータである。

パワーリレー３０は、５相モータ２０の各相への電力供給を制御するための、複数の接点（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）を備えている。これら接点（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）は、各コイル巻線Ｌａ〜Ｌｅの他端に配置され、かつ、スター結線されたコイル間に挿入されている。パワーリレー３０は、制御部４０からの制御信号に応じて、接点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を、開放又は閉じることで、５相モータ２０の各相への電力供給を制御する。すなわち、パワーリレー３０は、５相モータ２０のコイル巻線Ｌのうち、１相又は２相への供給電力を遮断可能となるように構成されている。例えば、接点Ｐ１の一端は、コイル巻線Ｌａの一端及びコイル巻線Ｌｃの一端に接続される。また、接点Ｐ１の他端は、接点Ｐ２の一端と接点Ｐ３の一端と互いに接続される。

図２は、本実施の形態に係るモータ駆動システムの構成図である。モータ駆動システム１０１は、制御部４０と、プリドライバ５０と、図１のモータ駆動回路１００と、を備えている。

制御部４０は、モータ駆動回路１００の５相インバータ１０のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１０に対して、５相インバータ１０のスイッチング制御信号Ｓ１〜Ｓ１０を出力する。制御部４０は、マイクロコンピュータや、不図示のＲＡＭ（Random Access Memory)及びＲＯＭ（Read Only Memory）等を含んで構成され、所定のプログラム処理に従って、上位の電子制御ユニット（ＥＣＵ）から入力されたモータ指令に従って５相モータ２０が動作するように、５相インバータ１０のスイッチング制御信号Ｓ１〜Ｓ１０を生成する。

制御部４０は、電流制御器４１と、ｄｑ軸／２相座標変換部４２と、２相／５相座標変換部４３と、ＰＷＭ生成器４４と、５相／２相座標変換部４５と、２相／ｄｑ軸座標変換部４６と、を備えている。

尚、図２において、ｉｄ＊、ｉｑ＊は、それぞれｄ軸電流指令、ｑ軸電流指令を示す。ｖｄ＊、ｖｑ＊は、それぞれｄ軸電圧指令、ｑ軸電圧指令を示す。ｖα＊、ｖβ＊は、それぞれα軸電圧指令、β軸電圧指令を示す。ｖａ＊＊〜ｖｅ＊＊は、５相モータ２０の各相のモータ電圧指令を示す。Ｇａ〜Ｇｅは、ＰＷＭ信号を示す。Ｓ１〜Ｓ１０は、５相インバータ１０のインバータゲート信号（スイッチング制御信号）を示す。ｉａ〜ｉｅは、５相モータ２０の各相のモータ電流を示す。ｉα、ｉβは、それぞれα軸電流、β軸電流を示す。ｉｄ、ｉｑは、それぞれｄ軸電流、ｑ軸電流を示す。

ここで、図１に示した５相モータ２０の等価回路方程式を、以下の式（１）〜（３）に示す。尚、式（１）は回路方程式、式（２）は誘起電圧式、式（３）はトルク式、をそれぞれ示す。また、ｖａ、ｖｂ、ｖｃ、ｖｄ、ｖｅは、それぞれａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ相の電機子電圧を示す。ｉａ、ｉｂ、ｉｃ、ｉｄ、ｉｅは、それぞれａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ相の電機子電流を示す。ｅａ、ｅｂ、ｅｃ、ｅｄ、ｅｅは、それぞれａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ相の誘起電圧を示す。Ｒはモータ巻線抵抗を、Ｌはモータ巻線自己インダクタンスを、ｐは微分演算子を示す。ωｒｅはモータの電気角速度を、θｒｅはモータの電気角を示す。Φｆａはモータの電機子巻線鎖交磁束数の最大値を、Ｔｅはモータトルクを、Ｐはモータの極対数を示す。

再び、図２に戻って説明を続ける。電流制御器４１は、ｄ軸、ｑ軸の電流指令ｉｄ＊、ｉｑ＊が与えられた後、算出されるｄ軸、ｑ軸の電流ｉｄ、ｉｑとの偏差に応じて、電流制御を行う。電流制御器４１は、ｄ軸、ｑ軸の電流指令ｉｄ＊、ｉｑ＊を受け、算出されるｄ軸、ｑ軸の電流ｉｄ、ｉｑとの偏差に応じて、ｄ軸、ｑ軸の電圧指令ｖｄ＊、ｖｑ＊を出力する。尚、ｄ軸、ｑ軸の電流指令ｉｄ＊、ｉｑ＊は、図示しないモータドライバから出力される。すなわち、図示しないモータドライバは、車輪の速度指令等に応じたｄ軸、ｑ軸の電流指令ｉｄ＊、ｉｑ＊を生成する。

ｄｑ軸／２相座標変換部４２は、良く知られている以下のｄｑ座標変換式（４）を用いて、ｄ軸、ｑ軸の電圧指令ｖｄ＊、ｖｑ＊を、２相固定座標に変換する。これにより、ｄｑ軸／２相座標変換部４２は、α軸、β軸の電圧指令ｖα＊、ｖβ＊を出力する。

２相／５相座標変換部４３は、２相固定座標の電圧指令ｖα＊、ｖβ＊を、以下の変換式（５）を用いて、２相固定座標から５相固定座標の式へと変換する。これにより、２相／５相座標変換部４３は、５相モータ２０の各相のモータ電圧指令ｖａ＊＊〜ｖｅ＊＊を出力する。

ＰＷＭ生成器４４は、各相のモータ電圧指令ｖａ＊＊〜ｖｅ＊＊に基づいて、ＰＷＭ信号Ｇａ〜Ｇｅを生成する。

５相／２相座標変換部４５は、上記と同様にして、以下の変換式（６）を用いて、５相固定座標を２相固定座標に変換する。これにより、５相／２相座標変換部４５は、α軸、β軸の電流ｉα、ｉβを出力する。

そして、２相／ｄｑ軸座標変換部４６が、α軸、β軸の電流ｉα、ｉβを、ｄ軸、ｑ軸の電流ｉｄ、ｉｑへと変換する。このようにして、５相モータ２０の各相から検出された電流ｉａ〜ｉｅがフィードバックされることで、電力制御についてのフィードバック制御が行われる。従って、上述した変換を行うことで、５相モータ２０であっても、通常のベクトル制御の理論を適用して制御可能となる。

プリドライバ５０は、ＰＷＭ信号Ｇａ〜Ｇｅに基づいて、５相インバータ１０のスイッチング制御信号Ｓ１〜Ｓ１０を生成する。プリドライバ５０は、制御部４０から出力されるロジックレベルのＰＷＭ信号に対してゲート容量を素早く充放電させる回路である。スイッチング素子ＱとしてのパワーＭＯＳ−ＦＥＴを高速にスイッチングさせるためには、ＭＯＳ−ＦＥＴゲートが持つ入力容量に対して、高速に充放電を行う必要がある。このため、プリドライバ５０を、制御部４０と５相インバータ１０との間に設けている。また、３相や５相の上下ブリッジ構成を採用するＭＯＳ−ＦＥＴでは、上アームのＭＯＳ−ＦＥＴがＮチャネルの場合にスイッチングするためには、出力電圧にゲートのオン電圧を加えた電圧必要となる。このため、上アームの動作は、チャージポンプ方式や、ブーストラップ方が用いられる。

図３、４、５に、ｄ軸電圧指令ｖｄ＊を０、ｑ軸電圧指令ｖｑ＊を１とした場合の、各軸変換後の値を例示する。図３は、ｄ−ｑ軸電圧指令値の変化を示す図である。図４は、α−β軸電圧指令値の変化を示す図である。図５は、５相電圧指令値の変化を示す図である。

次に、５相モータ２０のうちの１相が故障した場合における、モータ駆動システム１０１による相の切り替え動作について説明する。制御部４０は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１０の故障を検出する故障検出手段を備えており、検出内容に応じたパワーリレー３０の制御信号を生成する。すなわち、故障検出手段は、５相インバータ１０の各相を構成するスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１０から、５相モータ２０までの故障を検出する。制御部４０は、切り離し手段としてのパワーリレー３０を用いて、故障検出手段によって故障が検出された相について、電力供給を遮断する。

例えば、制御部４０は、５相インバータ１０のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１０のいずれかがショートモードで故障した場合に、パワーリレー３０を用いて、故障した相を切り離す。例えば、５相モータ２０の各巻線コイルＬと、パワーリレー３０の各接点Ｐと、の接続を図１に示したように構成し、故障を検出したスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１０に応じて、その対応する接点Ｐ１〜Ｐ３を開放する。

図６に、図１に示した構成での、故障した相と駆動に使用する相との組合せを示す。例えば、ｂ相が故障した場合には、パワーリレー３０のうち接点Ｐ２を開放する。これにより、５相モータ２０の巻線コイルＬｂ及びＬｅに対して電力供給が遮断され、制御部４０は、残りの４相のうち、ｃ、ｄ、ａ相を用いて、５相モータ２０の駆動を継続する。ここで、ある相が故障した場合における残りの複数相のうちで駆動に用いる３相は、互いの位相間隔が略同一間隔となるようにその組合せが定められている。この組合せは、故障した相と、パワーリレー３０の構成とに基づいて定められる。

スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１０が故障した場合に、その故障がショートモードで発生したときには、還流電流がブレーキとなることがある。これを回避するため、５相モータ２０の巻線コイルのうちで、故障箇所に対応した巻線コイルを開放する必要がある。故障箇所に対応した巻線コイルを開放し、モータ駆動に利用する相を所望の相へと切り替える構成としては、例えば、図１に示したパワーリレー３０の構成を採用することができる。これにより、パワーリレー３０の接点Ｐの個数を３個とすることができ、最小限の構成によってモータ駆動の継続に用いる相の切り替えを実現することができる。

尚、モータ駆動システム１０１による、モータの駆動に関わる箇所（ＣＰＵやインバータなどの電気部品）の故障検出方法については、公知の手法を採用すればよい。例えば、以下の手法により、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１０の故障を検出することができる。

図７〜９を参照して、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１０の故障検出方法について説明する。例えば、図７に示すように、図１に示したモータ駆動回路１００に対して、シャント抵抗６０、７０を設ける。すなわち、電源と５相インバータ１０との間に直列にシャント抵抗６０（Ｒｄｃ）を接続する。また、５相モータ２０と、パワーリレー３０との間に、シャント抵抗７０を設ける。シャント抵抗７０の各抵抗Ｒｓ１〜Ｒｓ５は、５相モータ２０の各巻線コイルＬａ〜Ｌｅに対して直列に接続される。

図８に、シャント抵抗６０（Ｒｄｃ）で検出される電流値の変化を示す。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１０のうちのいずれか１つがショートモードで故障した場合には、シャント抵抗６０（Ｒｄｃ）で検出される電流値は所定の閾値（電流リミット）を超える。このため、モータ駆動システム１０１は、シャント抵抗６０（Ｒｄｃ）で検出される電流値が、所定の閾値を超えた場合に、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１０のうちのいずれかが故障したものと判断する。

図９に、シャント抵抗７０のうちの抵抗（Ｒｓ１）で検出される電流値の変化を示す。例えば、スイッチング素子Ｑ１がオープンモードで故障した場合には、シャント抵抗７０の抵抗（Ｒｓ１）で検出される電流値は所定の閾値（電流リミット）を超える。このため、モータ駆動システム１０１は、シャント抵抗７０の抵抗（Ｒｓ１）で検出される電流値が、所定の閾値を超えた場合に、スイッチング素子Ｑ１が故障したものと判断する。

上述したようにして、モータ駆動システム１０１は、５相モータ２０の相のうち１相が故障した場合においても、残りの３相分を利用して駆動を継続することができる。ここで、パワーリレー３０の構成は、図１及び図２に示した構成に限定されず、５相モータ２０の各相に対して、パワーリレーを備える構成としてもよい。すなわち、故障したスイッチング素子Ｑに関して、対応する巻線コイルに接続される１の接点のみを開放する構成としてもよい。

ここで、５相モータ２０の各相に対してパワーリレーを備えた構成を採用し、５相インバータ１０の相のうちいずれか１つの相が故障した場合のモータ駆動方法について説明する。

図１０は、５相モータ２０の等価回路図である。例えば、５相インバータ１０のスイッチング素子Ｑ３又はＱ４のいずれかが故障した場合には、５相モータ２０のｂ相の電機子電圧ｖｂを出力することができなくなる。このため、モータ駆動システム１０１は、残りの４相のうち、例えば、ａ、ｃ、ｄの３相を利用して、５相モータ２０の駆動を継続する。この場合、変換行列は以下の式（７）を用いて示される。

また、５相モータ２０の各相に対してパワーリレーを備えた構成を採用し、５相インバータ１０の相のうちの２つの相が故障した場合について説明する。モータ駆動システム１０１は、１つの相と、その故障した相に対して１４４°の位相差を有する１の相と、合わせて２相分が故障した場合においても、残りの３相を利用してモータ駆動を継続することができる。図１１に、故障した２つの相と、駆動に使用するその他の相の組合せを示す。例えば、ａ相とｃ相の２相が故障した場合には、ｂ、ｄ、ｅ相を利用してモータ駆動を継続する。

以上に、特許文献１のモータ駆動システム１０１を説明した。しかしながら、上記特許文献１のモータ駆動システム１０１では、３相を通電させてモータを駆動させた場合、電気角上において隣接する相間の位相差が一定とはならないので、必然的にトルクリップル（トルクの脈動）が発生していた。以下、このトルクリップルの発生メカニズムについて詳細に説明する。

図１２には、通常時における５相モータ２０の等価回路図を示し、図１３には、ｂ相故障時における５相モータ２０の等価回路図を示す。

図１２の通常時における各相の電機子電流は、下記式（８）となり、下記式（８）を図１４にグラフ形式で示す。ここで、Iは、各相電流の最大値である。θは、モータの電気角である。また、図１３のｂ相故障時における各相の電機子電流は、下記式（９）となり、下記式（９）を図１５にグラフ形式で示す。なお、ｂ相故障時は、図６にも示すように、制御部４０は、パワーリレー３０の接点ｐ２を開放することで、例えばａ相、ｃ相、ｄ相の３相駆動となる。

上記式（８）で示す通常時における各相の電機子電流を５相／２相変換すると、下記式（１０）となる。また、上記式（９）で示すｂ相故障時における各相の電機子電流を５相／２相変換すると、下記式（１１）となる。ｉαは、通常時におけるα軸電流である。ｉβは、通常時におけるβ軸電流である。ｉα'は、ｂ相故障時におけるα軸電流である。ｉβ'は、ｂ相故障時におけるβ軸電流である。

上記式（１０）の２相電流をｄｑ変換すると直流となり、トルクの脈動は発生しない。図１６に、通常時におけるｄ軸電流とｑ軸電流を示す。これは、通常のベクトル制御の理論通りである。一方、上記式（１１）の２相電流をｄｑ変換すると、下記式（１２）となる。ｉｄ'は、ｂ相故障時におけるｄ軸電流である。ｉｑ'は、ｂ相故障時におけるｑ軸電流である。図１７に、ｂ相故障時におけるｄ軸電流とｑ軸電流を示す。

上記式（１２）から脈動成分のみ取り出すと、下記式（１３）となる。下記式（１３）においてｉｑ'が実際のモータ出力トルクに比例するため、ｂ相故障時は、下記式（１３）においてｉｑ'で示すトルクリップルが発生していると言及できる。

本願発明の目的は、故障時のトルクリップルを改善する技術を提供することにある。

本願発明の第１の観点によれば、５相以上のコイルがスター結線により接続されたモータと、各コイルの一端側に接続され、直流電力を交流電力に変換して前記モータの各コイルに供給するインバータと、各コイルの他端側に配置され、かつ、スター結線された各コイル間に挿入された複数の接点を用いて、前記コイルのうち少なくとも何れか１つのコイルへの供給電力を遮断可能となるように構成されたパワーリレーと、前記インバータの制御信号を生成することで、前記モータの駆動を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記モータの１相以上が故障した場合に、当該故障した相に対応する前記パワーリレーの接点を開放し、残る相のうちで、略同一間隔となる３相以上の相を駆動するものとし、前記制御部は、前記３相以上の相を駆動することで発生するトルクの脈動成分を打ち消すように、前記３相以上の相の各相における電流値を制御する、モータ駆動システムが提供される。以上の構成によれば、前記３相を駆動することで発生するトルクの脈動成分が打ち消される。
好ましくは、前記制御部は、前記３相以上の相を駆動することで発生するトルクの脈動成分を打ち消すように、前記３相以上の相の各相における電流値に、前記脈動成分を打ち消すための打ち消し成分を加える。
好ましくは、前記制御部は、前記３相以上の相を駆動することで発生するトルクの脈動成分を打ち消すように、前記３相以上の相の各相における電流値に前記打ち消し成分を加えるに際し、前記３相以上の相の各相における電流値の最大値が最も小さくなるように、前記３相以上の相の各相における電流値に前記打ち消し成分を加える。
本願発明の第２の観点によれば、５相以上のコイルがスター結線により接続されたモータと、各コイルの一端側に接続され、直流電力を交流電力に変換して前記モータの各コイルに供給するインバータと、各コイルの他端側に配置され、かつ、スター結線された各コイル間に挿入された複数の接点を用いて、前記コイルのうち少なくとも何れか１つのコイルへの供給電力を遮断可能となるように構成されたパワーリレーと、前記インバータの制御信号を生成することで、前記モータの駆動を制御する制御部と、を備えたモータ駆動システムの制御方法であって、前記モータの１相以上が故障した場合に、当該故障した相に対応する前記パワーリレーの接点を開放し、残る相のうちで、略同一間隔となる３相以上の相を駆動するものとし、前記３相以上の相を駆動することで発生するトルクの脈動成分を打ち消すように、前記３相以上の相の各相における電流値を制御する、モータ駆動システムの制御方法が提供される。
好ましくは、前記３相以上の相を駆動することで発生するトルクの脈動成分を打ち消すように、前記３相以上の相の各相における電流値に、前記脈動成分を打ち消すための打ち消し成分を加える。
好ましくは、前記３相以上の相を駆動することで発生するトルクの脈動成分を打ち消すように、前記３相以上の相の各相における電流値に前記打ち消し成分を加えるに際し、前記３相以上の相の各相における電流値の最大値が最も小さくなるように、前記３相以上の相の各相における電流値に前記打ち消し成分を加える。
本願発明の第３の観点によれば、車輪を駆動して倒立制御を行う走行装置であって、５相以上のコイルがスター結線により接続されたモータと、各コイルの一端側に接続され、直流電力を交流電力に変換して前記モータの各コイルに供給するインバータと、各コイルの他端側に配置され、かつ、スター結線された各コイル間に挿入された複数の接点を用いて、前記コイルのうち少なくとも何れか１つのコイルへの供給電力を遮断可能となるように構成されたパワーリレーと、前記インバータの制御信号を生成することで、前記モータの駆動を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記モータの１相以上が故障した場合に、当該故障した相に対応する前記パワーリレーの接点を開放し、残る相のうちで、略同一間隔となる３相以上の相を駆動するものとし、前記制御部は、前記３相以上の相を駆動することで発生するトルクの脈動成分を打ち消すように、前記３相以上の相の各相における電流値を制御する、走行装置が提供される。
好ましくは、前記制御部は、前記３相以上の相を駆動することで発生するトルクの脈動成分を打ち消すように、前記３相以上の相の各相における電流値に、前記脈動成分を打ち消すための打ち消し成分を加える。
好ましくは、前記制御部は、前記３相以上の相を駆動することで発生するトルクの脈動成分を打ち消すように、前記３相以上の相の各相における電流値に前記打ち消し成分を加えるに際し、前記３相以上の相の各相における電流値の最大値が最も小さくなるように、前記３相以上の相の各相における電流値に前記打ち消し成分を加える。

本願発明によれば、前記３相を駆動することで発生するトルクの脈動成分が打ち消される。

図１は、モータ駆動回路の回路図である。図２は、モータ駆動システムのブロック図である。図３は、ｄ軸電圧指令及びｑ軸電圧指令のグラフ図である。図４は、α軸電圧指令及びβ軸電圧指令のグラフ図である。図５は、５相モータの各相のモータ電圧指令のグラフ図である。図６は、故障した相と、開放するパワーリレーの関係を示す図である。図７は、故障相を検知するための回路図である。図８は、何れかのスイッチング素子の故障を検知した際の電流値のグラフ図である。図９は、個々のスイッチング素子の故障を検知した際の電流値のグラフ図である。図１０は、５相モータの等価回路図である。図１１は、故障した２つの相と、駆動に使用するその他の相の組合せを示す図である。図１２は、通常時における５相モータの等価回路図である。図１３は、ｂ相故障時における５相モータの等価回路図である。図１４は、通常時における各相の電機子電流のグラフ図である。図１５は、ｂ相故障時における各相の電機子電流のグラフ図である。図１６は、通常時におけるｄ軸電流とｑ軸電流を示すグラフ図である。図１７は、ｂ相故障時におけるｄ軸電流とｑ軸電流を示すグラフ図である。図１８は、補償値を加算したことによって得られた、ｄ軸電流とｑ軸電流のグラフ図である。図１９は、本実施形態のモータ駆動システムのブロック図である。

以下、ｂ相故障時に発生するトルクリップルを改善する技術について詳細に説明する。

先ず、上記式（１３）の脈動成分をｄｑ／２相変換すると、下記式（１４）になる。ｉα'は、ｂ相故障時におけるα軸電流の脈動成分である。ｉβ'は、ｂ相故障時におけるβ軸電流の脈動成分である。

従って、上記式（１４）で示されるｂ相故障時におけるα軸及びβ軸電流の脈動成分を打ち消すような成分としての打ち消し成分を、ｂ相故障時に駆動するａ相、ｃ相、ｄ相に分配すれば、結果として脈動成分が相殺され、モータのトルクリップルが改善されることになる。

上記打ち消し成分の分配方法は、ｂ相故障時においては、少なくとも下記式（１５）〜（１７）で示す３通りが候補として挙げられる。ここで、ｉａ'は、トルクリップル改善時におけるａ相の電機子電流である。ｉｃ'は、トルクリップル改善時におけるｃ相の電機子電流である。ｉｄ'は、トルクリップル改善時におけるｄ相の電機子電流である。

上記式（１５）〜（１７）の何れの分配方法を採用しようとも、トルクリップルは改善される。しかしながら、何れの相にせよ、最大電流値が大きくなればなるほどモータとしての効率は望めない。上記式（１５）〜（１７）を比較すると、上記式（１７）を採用すれば、ｉａ'の最大電流値と、ｉｃ'の最大電流値、ｉｄ'の最大電流値のうち最も大きな最大電流値を抑えられることがわかる。上記式（１７）で示された各相の電機子電流でモータを駆動した際のｄ軸電流とｑ軸電流を図１８に示す。図１８によれば、モータの出力トルクに比例するｑ軸電流がすべての電気角において一定となっていることがわかる。

次に、以上に説明したトリプリップルの改善技術を具現化するためのモータ駆動回路１００を、図１９を参照しながら説明する。以降の説明では、図２に示す特許文献１のモータ駆動回路１００との相違点を中心に説明し、重複する説明は適宜省略する。また、上記特許文献１の各構成要素に対応する構成要素には原則として同一の符号を付すこととする。

図１９に示すように、モータ駆動システム１０１の制御部４０は、３相を駆動することで発生するトルクの脈動成分を打ち消すように、３相の各相における電流値を制御する。即ち、制御部４０は、３相を駆動することで発生するトルクの脈動成分を打ち消すように、３相の各相における電流値に、脈動成分を打ち消すための打ち消し成分を加える。具体的には、制御部４０は、更に、故障相情報生成部４７、補償値生成器４８、補償値テーブル４９、加算回路８０を有している。

故障相情報生成部４７は、例えば図７に示すシャント抵抗７０の各抵抗Ｒｓの両端の電位差を測定することにより、故障相を検出し、その故障相を特定するための情報としての故障相情報を生成する。故障相情報生成部４７は、生成した故障相情報を２相／５相座標変換部４３と補償値生成器４８に出力する。また、前述したように、制御部４０は、故障相情報生成部４７によって生成された故障相情報に基づいてパワーリレー３０の各接点を適宜、開放する。

２相／５相座標変換部４３は、故障相情報生成部４７から入力された故障相情報に基づいて、故障相に相当するモータ電圧指令ｖａ＊＊〜ｖｅ＊＊の出力を停止する。

補償値テーブル４９は、故障相と、打ち消し成分としての補償値（Va'〜Ve'）と、の関係をテーブル形式で記憶している。例えば、故障相がｂ相である場合、補償値Va'は、上記式（１７）の第１式の右辺第２項に相当しており、下記式（１８）で表される。下記式（１８）において、Zは、モータのインピーダンス、Rはモータの巻線抵抗、Lはモータの巻線自己インダクタンス、ωはモータの電気角速度、θはモータの電気角である。同様に、補償値Vc'は、上記式（１７）の第２式の右辺第２項に相当しており、下記式（１９）で表される。同様に、補償値Vd'は、上記式（１７）の第２式の右辺第２項に相当しており、下記式（２０）で表される。

以上に、補償値テーブル４９における故障相と、打ち消し成分としての補償値（Va'〜Ve'）と、の関係のうち故障相がｂ相である場合について説明したが、その他、故障相がａ相やｃ相であった場合、ｄ相、ｅ相であった場合についても同様である。

補償値生成器４８は、故障相情報生成部４７から入力された故障相情報に基づいて、補償値テーブル４９から、故障相に対応する補償値（Va'〜Ve'）を取得し、取得した補償値（Va'〜Ve'）を加算回路８０に出力する。

加算回路８０は、２相／５相座標変換部４３から出力された５相モータ２０の各相のモータ電圧指令ｖａ＊＊〜ｖｅ＊＊に、補償値生成器４８から出力された補償値（Va'〜Ve'）を加える。即ち、加算回路８０は、ａ相モータ電圧指令ｖａ＊＊にａ相補償値Va'を加え、ｂ相モータ電圧指令ｖｂ＊＊に、ｂ相補償値Vb'を加え、ｃ相モータ電圧指令ｖｃ＊＊に、ｃ相補償値Vc'を加え、ｄ相モータ電圧指令ｖｄ＊＊に、ｄ相補償値Vd'を加え、ｅ相モータ電圧指令ｖｅ＊＊に、ｅ相補償値Ve'を加える。

以上の構成により、例えばｂ相が故障し、ａ相ｃ相ｄ相で駆動する場合、ａ相の電機子電流が上記式（１７）の第１式の左辺であるｉａ'となるように補正され、フィードフォワード的にトルクリップルが改善されることになる。

以上に説明したモータ駆動システム１０１は、上記特許文献１と同様に、例えば、倒立制御を行いながら走行する走行装置に適用される。

２０５相モータ
３０パワーリレー
４０制御部
４７故障相情報生成部
４８補償値生成器
４９補償値テーブル
８０加算回路
１００モータ駆動回路
１０１モータ駆動システム

Claims

５相以上のコイルがスター結線により接続されたモータと、
各コイルの一端側に接続され、直流電力を交流電力に変換して前記モータの各コイルに供給するインバータと、
各コイルの他端側に配置され、かつ、スター結線された各コイル間に挿入された複数の接点を用いて、前記コイルのうち少なくとも何れか１つのコイルへの供給電力を遮断可能となるように構成されたパワーリレーと、
前記インバータの制御信号を生成することで、前記モータの駆動を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記モータの１相以上が故障した場合に、当該故障した相に対応する前記パワーリレーの接点を開放し、残る相のうちで、略同一間隔となる３相以上の相を駆動するものとし、
前記制御部は、前記３相以上の相を駆動することで発生するトルクの脈動成分を打ち消すように、前記３相以上の相の各相における電流値を制御する、
モータ駆動システム。
請求項１に記載のモータ駆動システムであって、
前記制御部は、前記３相以上の相を駆動することで発生するトルクの脈動成分を打ち消すように、前記３相以上の相の各相における電流値に、前記脈動成分を打ち消すための打ち消し成分を加える、
モータ駆動システム。
請求項２に記載のモータ駆動システムであって、
前記制御部は、前記３相以上の相を駆動することで発生するトルクの脈動成分を打ち消すように、前記３相以上の相の各相における電流値に前記打ち消し成分を加えるに際し、前記３相以上の相の各相における電流値の最大値が最も小さくなるように、前記３相以上の相の各相における電流値に前記打ち消し成分を加える、
モータ駆動システム。
５相以上のコイルがスター結線により接続されたモータと、
各コイルの一端側に接続され、直流電力を交流電力に変換して前記モータの各コイルに供給するインバータと、
各コイルの他端側に配置され、かつ、スター結線された各コイル間に挿入された複数の接点を用いて、前記コイルのうち少なくとも何れか１つのコイルへの供給電力を遮断可能となるように構成されたパワーリレーと、
前記インバータの制御信号を生成することで、前記モータの駆動を制御する制御部と、
を備えたモータ駆動システムの制御方法であって、
前記モータの１相以上が故障した場合に、当該故障した相に対応する前記パワーリレーの接点を開放し、残る相のうちで、略同一間隔となる３相以上の相を駆動するものとし、
前記３相以上の相を駆動することで発生するトルクの脈動成分を打ち消すように、前記３相以上の相の各相における電流値を制御する、
モータ駆動システムの制御方法。
請求項４に記載のモータ駆動システムの制御方法であって、
前記３相以上の相を駆動することで発生するトルクの脈動成分を打ち消すように、前記３相以上の相の各相における電流値に、前記脈動成分を打ち消すための打ち消し成分を加える、
モータ駆動システムの制御方法。
請求項５に記載のモータ駆動システムの制御方法であって、
前記３相以上の相を駆動することで発生するトルクの脈動成分を打ち消すように、前記３相以上の相の各相における電流値に前記打ち消し成分を加えるに際し、前記３相以上の相の各相における電流値の最大値が最も小さくなるように、前記３相以上の相の各相における電流値に前記打ち消し成分を加える、
モータ駆動システムの制御方法。
車輪を駆動して倒立制御を行う走行装置であって、
５相以上のコイルがスター結線により接続されたモータと、
各コイルの一端側に接続され、直流電力を交流電力に変換して前記モータの各コイルに供給するインバータと、
各コイルの他端側に配置され、かつ、スター結線された各コイル間に挿入された複数の接点を用いて、前記コイルのうち少なくとも何れか１つのコイルへの供給電力を遮断可能となるように構成されたパワーリレーと、
前記インバータの制御信号を生成することで、前記モータの駆動を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記モータの１相以上が故障した場合に、当該故障した相に対応する前記パワーリレーの接点を開放し、残る相のうちで、略同一間隔となる３相以上の相を駆動するものとし、
前記制御部は、前記３相以上の相を駆動することで発生するトルクの脈動成分を打ち消すように、前記３相以上の相の各相における電流値を制御する、
走行装置。
請求項７に記載の走行装置であって、
前記制御部は、前記３相以上の相を駆動することで発生するトルクの脈動成分を打ち消すように、前記３相以上の相の各相における電流値に、前記脈動成分を打ち消すための打ち消し成分を加える、
走行装置。
請求項８に記載の走行装置であって、
前記制御部は、前記３相以上の相を駆動することで発生するトルクの脈動成分を打ち消すように、前記３相以上の相の各相における電流値に前記打ち消し成分を加えるに際し、前記３相以上の相の各相における電流値の最大値が最も小さくなるように、前記３相以上の相の各相における電流値に前記打ち消し成分を加える、
走行装置。