JP2013146142A - モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 直流電源と接続されていない状態で、逆入力トルクによってモータが発生する誘起電圧からスイッチング素子を保護する簡易な構成のモータ駆動装置を提供する。
【解決手段】 モータ駆動装置４０の第１駆動部４３は、バッテリ２０の電力をインバータ６０で変換してモータ４５を駆動する。バッテリ２０の高電位電極２１とインバータ６０の高電位側との間の高電位ラインＬ１には、リレー４１が接続され、リレー４１と並列にダイオード５１が接続される。ダイオード５１は、リレー４１が遮断された状態で、インバータ６０の高電位側からバッテリ２０の高電位電極２１に向かう回生方向（矢印Ｒ）に電流を導通させる。これにより、負荷側からの逆入力トルクによってモータ４５が発生した誘起電圧を、ダイオード５１を経由してバッテリ２０に逃がすことができ、インバータ６０を構成するスイッチング素子を誘起電圧から保護することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流電源の電力を変換してモータを駆動するモータ駆動装置に関する。

従来、複数のスイッチング素子から構成される駆動部を備えたモータ駆動装置が知られている。例えば、直流電力を３相交流電力に変換するインバータを駆動部に含み、３相交流モータを駆動するものがある。
特許文献１には、３相インバータの出力端子とモータとを接続する３本の給電ラインのうち２本に２つの回路切断用リレーを設け、スイッチング素子が短絡故障したとき、インバータとモータとの接続を遮断する構成が記載されている。

特開２００３−８１０９９号公報

この種のモータ駆動装置では、モータの回転軸に負荷側から逆入力トルクがかかるとモータが発電機として動作し、誘起電圧を発生する。ここで、電源側のモータ駆動装置がバッテリ等の電源に接続されていない状態では、誘起電圧の逃げ場がない。そのため、インバータを構成するスイッチング素子に誘起電圧がかかり、スイッチング素子が故障するおそれがある。この故障を防止するためには、使用するスイッチング素子の耐電圧等のスペックを高める必要がある。

一方、特許文献１に記載された「２つの回路切断用リレーを設ける構成」によれば、給電ラインの２つのリレーを遮断しインバータとモータとを電気的に分離することで、モータが発生した誘起電圧からスイッチング素子を保護することができる。しかし、この構成では、２つのリレーの他、当然に必要とされる電源側リレーを合わせて、３つ以上のリレーが必要となり、部品点数が増える。さらに、モータ駆動装置の体格が大きくなり、例えば車両に搭載される場合、車両搭載性の低下を招く。

本発明は上述の課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、直流電源と接続されていない状態で、逆入力トルクによってモータが発生する誘起電圧からスイッチング素子を保護する簡易な構成のモータ駆動装置を提供することである。

本発明のモータ駆動装置は、第１駆動部と、第１開閉器と、一方向導通素子とを備える。
第１駆動部は、複数のスイッチング素子を有し、直流電源に接続され、当該直流電源の電力を変換してモータを駆動する。
第１開閉器は、直流電源と第１駆動部との間に設けられ、直流電源と第１駆動部とを電気的に接続し又は遮断する。
一方向導通素子は、第１開閉器と並列に接続され、第１駆動部の高電位側から直流電源を通り第１駆動部の低電位側に向かう回生方向の電流を導通させ、回生方向と逆方向の電流を遮断する。

本発明の構成では、第１開閉器と並列に一方向導通素子を接続することにより、第１開閉器が遮断状態であっても、一方向導通素子を経由して誘起電圧を直流電源に逃がすことができる。したがって、第１駆動部を構成するスイッチング素子に過大な電圧がかかることを回避し、スイッチング素子の故障を防止することができる。言い換えれば、スイッチング素子を誘起電圧から保護することができる。また、スイッチング素子の耐電圧等のスペックを、通常時に要求されるスペック以上に高める必要がなくなる。

また、本発明における第１開閉器は１つ以上であればよく、この第１開閉器と並列に一方向導通素子を接続するだけの簡易な構成で、上記の効果を実現することができる。したがって、３つ以上のリレーを必要とする特許文献１の従来技術に比べ、モータ駆動装置の部品数を低減することができる。よって、モータ駆動装置の体格を小さくすることができ、例えば車両の電動パワーステアリングシステム等に適用されるモータ駆動装置では、車両搭載性が向上する。

本発明の第１実施形態によるモータ駆動装置の模式図である。 本発明の第１実施形態によるモータ駆動装置を適用した電動パワーステアリング装置の概略構成図である。 本発明の第１実施形態によるモータ駆動装置の詳細な模式図である。 本発明の第２実施形態によるモータ駆動装置の模式図である。 本発明の第３実施形態によるモータ駆動装置の模式図である。 本発明の第４実施形態によるモータ駆動装置の模式図である。 （ａ）本発明の第５実施形態による一方向導通素子の模式図である。（ｂ）本発明の第６実施形態による一方向導通素子の模式図である。 本発明の第７実施形態による車載電源システムの模式図である。 本発明の第８実施形態による車載電源システムの模式図である。 本発明の第９実施形態による車載電源システムの模式図である。 本発明のその他の実施形態による一方向導通素子の模式図である。

以下、本発明によるモータ駆動装置を車両の電動パワーステアリングシステムに適用した実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態のモータ駆動装置について、図１〜図３を参照して説明する。

図２に示すように、電動パワーステアリングシステム１は、運転者による操舵トルクを補助するための操舵アシストトルクをステアリングシャフト９２に提供する。
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システム１は、操舵アシストトルクを発生する操舵アシストモータ４５、モータ４５の回転出力を減速してステアリングシャフト９２に伝達する減速ギア８９、及び、モータ４５を駆動するモータ駆動装置４０から構成される。モータ駆動装置４０は、「直流電源」としてのバッテリ２０に接続されている。また、本実施形態では、モータ４５は３相交流ブラシレスモータである。

図１、図３に示すように、モータ駆動装置４０は、第１駆動部４３、「第１開閉器」としてのリレー４１、及び「一方向導通素子」としてのダイオード５１を備える。
第１駆動部４３は、インバータ６０および制御部６５から構成される。
インバータ６０は、３相交流インバータであり、バッテリ２０の直流電力を交流電力に変換し、モータ４５に供給する。インバータ６０は、６つのスイッチング素子６１１〜６１６がブリッジ接続されている。スイッチング素子６１１〜６１６は、例えばＭＯＳＦＥＴ、すなわち金属酸化物半導体電界効果トランジスタである。

高電位側のスイッチング素子６１１、６１２、６１３は、ドレインがバッテリ２０の高電位電極２１に接続されている。また、スイッチング素子６１１、６１２、６１３のソースは、低電位側のスイッチング素子６１４、６１５、６１６のドレインに接続されている。スイッチング素子６１４、６１５、６１６のソースは、電流検出素子７１１、７１２、７１３を介してバッテリ２０の低電位電極２２に接続されている。スイッチング素子６１１、６１２、６１３とスイッチング素子６１４、６１５、６１６との接続点は、それぞれ、モータ４５を構成する３相巻線４５１、４５２、４５３の一端に接続されている。
電流検出器７０を構成する電流検出素子７１１、７１２、７１３は、巻線４５１、４５２、４５３に通電される相電流を検出する。

制御部６５は、マイコン６７およびインバータ駆動回路６８を含む。マイコン６７は、回転角センサ６９によって検出されるモータ４５の回転角、トルクセンサ９４によって検出される操舵トルク、車速等の入力信号に基づき、制御に係る各演算値を制御演算する。インバータ駆動回路６８は、スイッチング素子６１１〜６１６のゲートに接続され、マイコン６７の制御に基づいてスイッチング出力する。

リレー４１は、バッテリ２０の高電位電極２１とインバータ６０の高電位側との間の高電位ラインＬ１に設けられる。リレー４１は、図示しないオンオフ信号によって、バッテリ２０とインバータ６０とを電気的に接続し又は遮断する。ここで、「リレー」とは、電気信号によってオンオフ可能な継電器または遮断器一般を意味する。

リレー４１が接続されるとモータ４５への電力供給が可能となり、モータ４５が発生する操舵アシストトルクをステアリングシャフト９２に提供することが可能となる。すなわち、電動パワーステアリングシステム１が有効となる。
本実施形態では、リレー４１は、図示しないイグニションスイッチと連動してオンオフする。したがって、運転者がイグニションスイッチをオフして停車しているとき、リレー４１は遮断している。一方、運転中は、原則としてリレー４１が接続される。ただし、運転中に車両が縁石に衝突した場合等、一時的にリレー４１が遮断される場合がある。

ところで、リレー４１が遮断された状態でモータ４５の回転軸に負荷側からの外力による逆入力トルクがかかると、モータ４５は発電機として動作する。例えば、修理工場でタイヤ９８を左右に動かした場合がこれに該当する。或いは、運転中に縁石に衝突したとき等、衝突の衝撃でタイヤ９８が左右に振れた場合がこれに該当する。
このような場合、モータ４５が発電した誘起電圧により、インバータ６０に過大な電圧がかかると、スイッチング素子６１１〜６１６が故障するおそれがある。

そこで、本実施形態では、リレー４１と並列にダイオード５１が接続されることを特徴とする。このダイオード５１は、リレー４１が遮断された状態で、インバータ６０の高電位側からバッテリ２０の高電位電極２１へ向かう方向の電流を導通させる。この電流の方向を「回生方向」といい、図１に矢印Ｒで示す。なお、ダイオード５１は、回生方向と逆方向の電流を遮断する。
仮にダイオード５１が接続されていないとすると、リレー４１の遮断状態では誘起電圧の逃げ場がないため、インバータ６０のスイッチング素子６１１〜６１６に過大な電圧がかかることが避けられない。したがって、スイッチング素子６１１〜６１６の故障を防止するため、耐電圧等のスペックを高める必要がある。

これに対し、本実施形態では、リレー４１と並列にダイオード５１を接続することにより、リレー４１が遮断状態であっても、ダイオード５１を経由して誘起電圧をバッテリ２０に逃がすことができる。したがって、インバータ６０のスイッチング素子６１１〜６１６に過大な電圧がかかることを回避し、スイッチング素子６１１〜６１６の故障を防止することができる。言い換えれば、スイッチング素子６１１〜６１６を誘起電圧から保護することができる。また、スイッチング素子６１１〜６１６のスペックを、通常時に要求されるスペック以上に高める必要がなくなる。

また、特許文献１に記載の従来技術では、スイッチング素子を誘起電圧から保護するために少なくとも２つの回路切断用リレーをモータ側に設ける必要があり、当然に必要とされる電源側リレーを合わせて、３つ以上のリレーが必要であった。
これに対し本実施形態は、１つのリレー４１と並列にダイオード５１を接続するだけの簡易な構成で、スイッチング素子６１１〜６１６を誘起電圧から保護することができる。したがって、従来技術に比べ、モータ駆動装置４０の部品数を低減することができる。よって、モータ駆動装置４０の体格を小さくすることができ、電動パワーステアリングシステム１等に適用された場合、車両搭載性が向上する。

（第２、第３、第４実施形態）
次に、本発明の第２〜第４実施形態のモータ駆動装置について、図４〜図６を参照して説明する。これらの実施形態は、第１実施形態に対し、リレーの配置または数が異なる。以下の実施形態の説明において、前述の実施形態と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。

図４に示す第２実施形態では、「第１開閉器」としてのリレー４２は、バッテリ２０の低電位電極２２とインバータ６０の低電位側との間の低電位ラインＬ２に設けられる。また、「一方向導通素子」としてのダイオード５２は、リレー４２と並列に接続される。この場合、ダイオード５２は、バッテリ２０の低電位電極２２からインバータ６０の低電位側へ向かう方向、すなわち第１実施形態と同じ回生方向の電流を導通させ、回生方向と逆方向の電流を遮断する。
第２実施形態でも、第１実施形態と同様、モータ４５の誘起電圧によるスイッチング素子の故障を防止することができる。

図５に示す第３実施形態では、高電位ラインＬ１に第１実施形態と同様のリレー４１およびダイオード５１が設けられ、低電位ラインＬ２に第２実施形態と同様のリレー４２およびダイオード５２が設けられる。
図６に示す第４実施形態では、高電位ラインＬ１に第１実施形態と同様のリレー４１およびダイオード５１が２組直列に接続される。

これらの実施形態では、「第１開閉器」としてのリレーが２つ設けられるため、信頼性がさらに向上する。また、誤動作の防止に有利となる。
このようにリレーを２つ設けた場合でも、３つ以上のリレーを必要とする特許文献１の従来技術と比べて、リレーの数を低減することができる。

（第５、第６実施形態）
次に、本発明の第５、第６実施形態のモータ駆動装置について、図７Ａ、図７Ｂを参照して説明する。これらの実施形態は、第１〜第４実施形態に対し、「一方向導通素子」にさらに構成が付加される。

図７（ａ）に示す第５実施形態では、一方向導通素子としてのダイオード５１にツェナーダイオード５３が直列に接続される。これにより、誘起電圧がツェナーダイオード５３の閾値電圧を超えたときのみ、ツェナーダイオード５３およびダイオード５１を経由して誘起電圧をバッテリ２０に逃がす。ここで、ツェナーダイオード５３の閾値電圧は、スイッチング素子６１１〜６１６に影響を及ぼさない程度の電圧に設定される。
図７（ｂ）に示す第６実施形態では、一方向導通素子としてのダイオード５１に抵抗５４が直列に接続される。抵抗５４の値は、誘起電圧印加時の電流値を考慮して設定される。
なお、ダイオード５１にツェナーダイオード５３および抵抗５４の両方が直列に接続されてもよい。

誘起電圧が一方向導通素子を経由してバッテリ２０に逃げるときの回生電流は、通常駆動時にバッテリ２０から第１駆動部４３に供給される電流とは逆方向に流れる。そのため、モータ４５が誘起電圧を発生したとき、モータ４５には通常駆動に逆らうブレーキトルクが発生する。ブレーキトルクが発生すると、運転者は、「ハンドル９１が重い」と感じることになる。

そこで、スイッチング素子６１１〜６１６に影響がない範囲では、できるだけブレーキトルクを発生させない、或いは、ブレーキトルクを軽減したいというのが、第５、第６実施形態のねらいである。具体的には、第５実施形態では、誘起電圧が所定値未満のときにはブレーキトルクを発生させないようにすることができる。第６実施形態では、全電圧域で一様にブレーキトルクを軽減させることができる。

例えば、運転中に車両が縁石等に衝突し、タイヤ９８が左右に振れた状況を想定する。この場合、リレー４１が遮断されるとともに、モータ４５には、誘起電圧によるブレーキトルクが原則として発生する。しかし、第５又は第６実施形態の構成によれば、ブレーキトルクを発生させないか、又は軽減することができる。

（第７、第８、第９実施形態）
次に、本発明の第７〜第９実施形態について、図８〜図１０を参照して説明する。第７〜第９実施形態は、操舵アシストモータ用のモータ駆動装置に加え、車両を走行させるための主モータ用のモータ駆動装置を包括した「車載電源システム」である。この車載電源システムにおける「直流電源」を特に「主電池」という。
図８〜図１０に示すように、車載電源システム１０では、操舵アシストモータ４５を駆動する第１駆動部４３と、主モータ３５を駆動する第２駆動部３３とが１つの主電池２０に並列に接続される。なお、図８〜図１０中でモータを示す記号として、主モータ３５に「Ｍｍ」、操舵アシストモータ４５に「Ｍｓ」の文字を付して区別する。

図８に示すように、第２駆動部３３は、電気自動車またはハイブリッド自動車を走行させる主モータ３５を駆動する。第２駆動部３３は、第１駆動部４３と同様、インバータ等の電力変換器および制御部から構成される。また、第２駆動部３３へ電力を供給するための主電池２０として、例えば２８８Ｖのバッテリが使用される。
図８に示す第７実施形態では、リレー４１よりも第１駆動部４３側のノードＮ２に、第２駆動部３３が第１駆動部４３と並列に接続される。すなわち、リレー４１は、第１駆動部４３および第２駆動部３３に対し、共通に電力供給を接続し又は遮断する。

操舵アシストモータ４５用の第１駆動部４３が専用のバッテリに接続される場合、一般に１４Ｖ程度のバッテリが用いられる。この程度の電源電圧であれば、仮にモータ４５に誘起電圧が発生したとしても、スイッチング素子の故障に至る可能性は低い。
それに対し、第１駆動部４３が２８８Ｖ相当の主電池２０を共用する場合、車両に搭載するバッテリを集約することができる一方で、誘起電圧の発生時にスイッチング素子にかかる負荷が過大となり、故障の可能性が増大する。

そこで、上記第１〜第６実施形態のように、モータ駆動装置４０が「第１開閉器と並列に一方向導通素子を設ける」構成を採用することで、「誘起電圧を主電池２０に逃がし、スイッチング素子の故障を防止する」作用効果が顕著に発揮される。
加えて、上記第１〜第６実施形態のようにモータ駆動装置４０が単独でバッテリ２０に接続される場合においても、使用されるスイッチング素子の耐電圧レベルに比べてバッテリ２０の電圧が高いほど、本発明の作用効果は特に有効であるということができる。

続いて図９に示す第８実施形態では、リレー４１よりも主電池２０側のノードＮ１に、主機リレー３１および第２駆動部３３がリレー４１および第１駆動部４３と並列に接続される。主機リレー３１は、特許請求の範囲に記載の「第２開閉器」に相当する。この場合、第１駆動部４３への電力供給はリレー４１によって、第２駆動部３３への電力供給は主機リレー３１によって、それぞれ独立に接続し又は遮断される。

これにより、例えば、第２駆動部３３内での短絡故障や地絡故障によって第２駆動部３３に過大な電流が流れたとき、主機リレー３１が遮断する一方、リレー４１は接続状態が維持されるので、第１駆動部４３への電力供給が継続される。したがって、運転者は、主モータ３５の駆動が停止した状態でも、操舵アシストモータ４５によるアシストトルクを得つつ、ハンドル９１を回して車両を路肩等に寄せることができる。

図１０に示す第９実施形態は、第８実施形態に対し、モータ駆動装置４０として第３実施形態の構成、すなわち高電位ラインＬ１および低電位ラインＬ２に２つのリレー４１を備える構成を採用したものである。これにより、信頼性がさらに向上する。

（その他の実施形態）
本発明における「一方向導通素子」として、上記の他、図１１（ａ）〜（ｄ）に例示する素子等を用いることができる。すなわち、図１１（ａ)に示すように、「第１開閉器」をＭＯＳＦＥＴ４６で構成し、ＭＯＳＦＥＴ４６の寄生ダイオード５６を「一方向導通素子」としてもよい。或いは、リレー４１と並列に、図１１（ｂ）に示すＮＰＮ型トランジスタ５７、図１１（ｃ）に示すＰＮＰ型トランジスタ５８、図１１（ｄ）に示すＩＧＢＴ５９等を接続してもよい。
なお、図１１（ａ）〜（ｄ）中、記号Ｇ、Ｓ、Ｄ、Ｂ、Ｅ、Ｃは、それぞれ、ゲート、ソース、ドレイン、ベース、エミッタ、コレクタを示す。

本発明のモータ駆動装置は、３相ブラシレスモータを駆動するものに限らない。例えば、インバータに代えてＤＣ／ＤＣコンバータを備え、直流ブラシ付モータを駆動するものであってもよい。また、モータの用途は、操舵アシスト用のモータに限らず、負荷側からの逆入力トルクによって誘起電圧を発生する可能性のあるあらゆるモータに対して適用することができる。

上記第７〜第９実施形態では、車載電源システムとして、操舵アシストモータ４５を駆動する第１駆動部４３と主モータ３５を駆動する第２駆動部とが主電池２０に並列に接続される形態を説明した。これに対し、さらに、ブレーキ用モータ、パワーウインドウ用、エアコンブロワ用、ワイパ用等、各種の補機モータが主電池２０に接続されてもよい。
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。

２０ ・・・バッテリ、主電池（直流電源）、
２１ ・・・高電位電極、
２２ ・・・低電位電極、
４０ ・・・モータ駆動装置、
４１、４２ ・・・リレー（第１開閉器）、
４３ ・・・第１駆動部、
４５ ・・・モータ（操舵アシストモータ）、
５１、５２ ・・・ダイオード（一方向導通素子）、
６１１〜６１６・・・スイッチング素子。

Claims (7)

1. 複数のスイッチング素子（６１１〜６１６）を有し、直流電源（２０）に接続され、当該直流電源（２０）の電力を変換してモータ（４５）を駆動する第１駆動部（４３）と、
   前記直流電源と前記第１駆動部との間に設けられ、前記直流電源と前記第１駆動部とを電気的に接続し又は遮断する第１開閉器（４１、４２）と、
   前記第１開閉器と並列に接続され、前記第１駆動部の高電位側から前記直流電源を通り前記第１駆動部の低電位側に向かう回生方向の電流を導通させ、前記回生方向と逆方向の電流を遮断する一方向導通素子（５１、５２）と、
   を備えることを特徴とするモータ駆動装置（４０）。
2. 前記第１開閉器および前記一方向導通素子は、
   前記直流電源の高電位電極（２１）と前記第１駆動部の高電位側との間、及び、前記直流電源の低電位電極（２２）と前記第１駆動部の低電位側との間に設けられることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 前記第１開閉器と並列であって前記一方向導通素子と直列に接続されるツェナーダイオード（５３）を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のモータ駆動装置。
4. 前記第１開閉器と並列であって前記一方向導通素子と直列に接続される抵抗（５４）を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
5. 電動パワーステアリングシステムの操舵アシストモータを駆動する請求項１〜４のいずれか一項に記載のモータ駆動装置であって、
   前記第１駆動部が接続される前記直流電源は、車両を走行させる主モータ（３５）を駆動するための主電池（２０）であることを特徴とするモータ駆動装置。
6. 前記主モータを駆動する第２駆動部（３３）は、前記主電池に対し前記第１駆動部と並列に設けられることを特徴とする請求項５に記載のモータ駆動装置。
7. 前記主電池と前記第２駆動部とを電気的に接続し又は遮断する第２開閉器（３１）は、前記第１開閉器と並列であって前記第２駆動部と直列に設けられることを特徴とする請求項６に記載のモータ駆動装置。

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