JP2014093899A - 回転機駆動システム - Google Patents

Abstract

【課題】複数系統の３相巻線組を有する回転機を駆動する回転機駆動システムにおいて、電力変換器に使用するスイッチング素子の数を低減する。
【解決手段】回転機駆動システム１１１は、２系統の３相巻線組８０１、８０２を有するモータ８０、及び２系統のインバータ６０１、６０２を備える。３相巻線組８０１、８０２は、各相の巻線同士で正負逆転した逆起電圧が発生するように巻回されている。２系統のＵ相巻線８１１、８２１及びＶ相巻線８１２、８２２は、一端がインバータ６０１、６０２の４つのレグの出力端に接続されている。２系統のＷ相巻線８１３、Ｗ相巻線８２３は、一端同士が接続されている。これにより、回転機駆動システム１１１は、８個のスイッチング素子からなる４つのレグで３相交流電圧を生成し、モータ８０を駆動することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数系統の３相巻線組を有する回転機を駆動する回転機駆動システムに関する。

従来、複数系統の３相巻線組を有する回転機を複数系統の電力変換器により駆動する回転機駆動システムが知られている。例えば特許文献１には、２系統の３相巻線組を有するモータを２系統のインバータにより駆動するシステムが開示されている。
一方、非特許文献１には、４個のスイッチング素子からなるブリッジ回路により、一系統の３相モータを駆動するシステムが提案されている。

特開２０１１−４５２１２号公報

IEEE Transactions on Power Electronics Vol.18 No.1 January 2003 P.164, "On the Feasibility of Four-Switch Three-Phase BLDC Motor Drives for Low Cost Commercial Applications :Topology and Control"

特許文献１の技術では、１つの系統のインバータは、３相巻線組の各相に対応する３つのレグを有している。ここで、「レグ」とは、上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子との組をいい、「レッグ」とも表記する。例えば２系統のインバータを備えるシステムでは、合計６つのレグを有し、１２個のスイッチング素子を必要とする。したがって、部品点数が増大し、また回路基板上に広い搭載スペースが必要となる。
非特許文献１の技術は、２つのレグにより３相モータを駆動するものである。しかし、一系統のシステムに適用が限られており、複数系統のシステムへの適用については考慮されていない。

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、複数系統の３相巻線組を有する回転機を駆動する回転機駆動システムにおいて、電力変換器に使用するスイッチング素子の数を低減することにある。

本発明は、複数系統の３相の巻線組を有する回転機と、各系統の巻線組に対応して設けられ、ブリッジ接続された複数のスイッチング素子からなる２つのレグを有し、対応する巻線組に交流電流を供給する複数系統の電力変換器と、複数系統の電力変換器の駆動を制御する制御部とを備える回転機駆動システムである。

この回転機駆動システムでは、複数系統の３相の巻線組は、各系統から３相のうち１相を選択し組み合わせた３組の相グループについて、当該相グループ毎の逆起電圧の和が０となるように巻線が巻回されている。そして、いずれか１つの相グループを構成する各系統の巻線組の１相の巻線同士を接続し、残り２つの相グループを構成する各系統の巻線組の２相の巻線を、電力変換器の２つのレグの出力端に接続している。

ここで、「逆起電圧の和が０」とは逆起電圧の主成分の和が０ということである。一般に主成分の周波数に対して３次や５次の高調波歪を有していたり、製造上の誤差に伴い、主成分が必ずしも厳密に０とはならない。しかし、本発明での「逆起電圧の和が０」であるという技術的意味は、歪成分や製造上の誤差等を含むものではない。
これにより、複数系統の巻線組及び電力変換器を備えた回転機駆動システムにおいて、１系統の電力変換器あたりのレグの数を、従来技術の３つから２つにすることができる。したがって、１系統の電力変換器あたりのスイッチング素子の数を従来技術の６個から４個に低減することができる。

上記の「複数系統」が具体的に「２系統」の場合、巻線組は、相グループ毎の２系統の逆起電圧の和が０となる。つまり、相グループ毎に、正負逆転した逆起電圧が発生する。
また、系統毎に巻線組または電力変換器の故障を判定するために電流検出手段を備え、一方の系統の巻線組または電力変換器が故障したと判断された場合、他方の系統の巻線組及び電力変換器により回転機の駆動を継続するようにしてもよい。
さらに、電力変換器の巻線側または電源側に通電を遮断可能な遮断手段を備え、異常があると判断された系統の遮断手段を遮断状態とするようにしてもよい。

加えて、本発明の回転機駆動システムは、出力トルクに変動が生じた場合、外部からトルクが加えられる装置に適用されると特に有効である。例えば、車両において運転者の操舵を補助するための電動パワーステアリング装置では、運転者による操舵トルクが外部から加えられることで出力トルクの変動を抑制可能であるため、本発明の回転機駆動システムが特に有効に適用される。

本発明の第１実施形態による回転機駆動システムの回路構成図。 本発明の第１実施形態による回転機駆動システムを適用した電動パワーステアリング装置の概略構成図。 本発明の第１実施形態による回転機駆動システムのモータの模式図。 図１の等価回路を示す説明図。 本発明の第１実施形態による回転機駆動システムの原理を説明する説明図。 本発明の第１実施形態による回転機駆動システムの制御ブロック図。 本発明の第１実施形態による回転機駆動システムの出力波形図。 本発明の第２実施形態による回転機駆動システムの回路構成図。 本発明の第２実施形態による回転機駆動システムにおいて１系統が故障した状態を示す模式図。 本発明の第２実施形態による回転機駆動システムの片系統駆動時における制御ブロック図。 片系統駆動時における電流波形図。 本発明の第３施形態による回転機駆動システムの回路構成図。 本発明の第４施形態による回転機駆動システムの回路構成図。 本発明の第５実施形態による回転機駆動システムの回路構成図。 本発明の第６実施形態による回転機駆動システムの回路構成図。 本発明の実施形態による電流検出手段の構成例を説明する説明図。 本発明の実施形態による電流検出手段の構成例を説明する説明図。 本発明の実施形態による電流検出手段の構成例を説明する説明図。 参考例による電流検出手段の構成例を説明する説明図。

以下、本発明による回転機駆動システムを車両の電動パワーステアリング装置に適用した複数の実施形態を図面に基づいて説明する。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）
本発明の第１実施形態について、図１〜図７を参照して説明する。

図２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、回転機駆動システム１１１、及び、回転軸の回転を減速してステアリングシャフト９２に伝達する「動力伝達手段」としての減速ギア８９を含む。
回転機駆動システム１１１は、操舵アシストトルクを発生する「回転機」としてのモータ８０、モータ８０に交流電流を供給する電力変換器６０、電力変換器６０の駆動を制御する制御部６５、及び「電源」としてのバッテリ５０を含む。

制御部６５は、回転角センサ８５（図６参照）からの回転角信号、図示しない車速センサからの車速信号、トルクセンサ９４からの操舵トルク信号、等に基づいて、インバータ６０への出力を制御する。これにより、電動パワーステアリング装置１のアクチュエータ２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。

詳しくは、図１に示すように、モータ８０は、２組の巻線組８０１、８０２を有する。第１巻線組８０１は、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の３相巻線８１１、８１２、８１３から構成されており、第２巻線組８０２は、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の３相巻線８２１、８２２、８２３から構成されている。本実施形態では、巻線組８０１、８０２は、Ｙ結線されている。
電力変換器６０は、第１巻線組８０１に対応して設けられる「第１電力変換器」としての第１インバータ６０１、及び、第２巻線組８０２に対応して設けられる「第２電力変換器」としての第２インバータ６０２から構成されている。以下、インバータ、及びそのインバータと対応する３相巻線組の組合せの単位を「系統」という。

第１インバータ６０１及び第２インバータ６０２は、それぞれ４つのスイッチング素子６１１〜６１４、６２１〜６２４がブリッジ接続されている。スイッチング素子６１１〜６１４、６２１〜６２４は、例えばＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）であり、還流ダイオードを有している。以下、適宜、高電位側（上アーム）のスイッチング素子６１１、６１２、６２１、６２２を「上ＳＷ」、低電位側（下アーム）のスイッチング素子６１３、６１４、６２３、６２４を「下ＳＷ」というように省略する。

各相の上ＳＷと下ＳＷとの組は「レグ」を構成する。第１インバータ６０１では、上ＳＷ６１１と下ＳＷ６１３とがａレグを構成し、上ＳＷ６１２と下ＳＷ６１４とがｂレグを構成する。第２インバータ６０２では、上ＳＷ６２１と下ＳＷ６２３とがｘレグを構成し、上ＳＷ６２２と下ＳＷ６２４とがｙレグを構成する。このように、本実施形態の２系統の電力変換器６０は、「４レグ」の構成であることを特徴とする。
なお、「レグ」は「レッグ」と表記してもよい。

各レグの高電位側は上母線Ｌｐを経由して、バッテリ５０の正極側に接続されており、各レグの低電位側は下母線Ｌｇを経由して、バッテリ５０の負極側に接続されている。また、系統毎にバッテリ５０と並列にコンデンサ５１、５２が接続されている。コンデンサ５１、５２は、電荷を蓄え、インバータ６０１、６０２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抑制したりする。

上ＳＷ６１１、６１２、６２１、６２２は、ドレインが上母線Ｌｐに接続され、ソースが下ＳＷ６１３、６１４、６２３、６２４のドレインに接続されている。下ＳＷ６１３、６１４、６２３、６２４のソースは、電流検出手段４０１、４０２を構成する電流検出素子４１１、４１２、４２１、４２２を介して下母線Ｌｇに接続されている。

また、各レグの上ＳＷ６１１、６１２、６２１、６２２と下ＳＷ６１３、６１４、６２３、６２４との接続点を、「レグの出力端」という。ａレグ及びｂレグの出力端には、第１巻線組８０１のＵ相巻線８１１及びＶ相巻線８１２の一端がそれぞれ接続されている。ｘレグ及びｙレグの出力端には、第２巻線組８０２のＵ相巻線８２１及びＶ相巻線８２２の一端がそれぞれ接続されている。
さらに、本実施形態では、第１巻線組８０１のＷ相巻線８１３と第２巻線組８０２のＷ相巻線８２３との一端同士が接続されていることを特徴とする。

モータ８０の構成について、軸に直交する平面での断面模式図である図３を参照して説明する。モータ８０は３相ブラシレスモータであり、ステータ８４、及び、ステータ８４の径内方向に回転可能に設けられたロータ８３を有している。本実施形態では、ロータ８３は、永久磁石のＮ極及びＳ極が周方向に交互に５対、計１０極設けられている。
ステータ８４には２系統の３相巻線が巻回されている。ここで、例えば第１系統のＵ相巻線を「Ｕ１」のように示す。巻線Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１が第１巻線組８０１を構成し、巻線Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２が第２巻線組８０２を構成する。

各巻線の周方向の配置について、同一系統同一相の巻線が２つずつ３０ｄｅｇ間隔で隣接しており、系統の異なる同一相の巻線が互いに１８０ｄｅｇずれた位置に配置されている。この配置により、第１巻線組８０１と第２巻線組８０２とのＵ相同士、Ｖ相同士、Ｗ相同士の巻線では鎖交する磁束がいずれも正負逆転し、その結果、正負逆転した逆起電圧が発生することとなる。

ここで、第１系統のＵ相と第２系統のＵ相、第１系統のＶ相と第２系統のＶ相、第１系統のＷ相と第２系統のＷ相は、それぞれ、特許請求の範囲に記載の「相グループ」を構成する。そして回転機駆動システム１１１は、「相グループ毎の逆起電圧の和が０となる」ように巻線が巻回されている。特に２系統である本実施形態では、相グループ毎に、正負逆転した逆起電圧が発生する。

つまり、図４に示す等価回路にて、各系統の各相に発生する逆起電圧Ｅｕ１、Ｅｖ１、Ｅｗ１、Ｅｕ２、Ｅｖ２、Ｅｗ２は、電圧振幅をＥとすると、下式１．１〜１．６のように示される。以下、角度について式中の［ｄｅｇ］の単位表示を省略する。
Ｅｕ１＝ Ｅｓｉｎθ ・・・（１．１）
Ｅｖ１＝ Ｅｓｉｎ（θ−１２０） ・・・（１．２）
Ｅｗ１＝ Ｅｓｉｎ（θ＋１２０） ・・・（１．３）
Ｅｕ２＝−Ｅｓｉｎθ ・・・（１．４）
Ｅｖ２＝−Ｅｓｉｎ（θ−１２０） ・・・（１．５）
Ｅｗ２＝−Ｅｓｉｎ（θ＋１２０） ・・・（１．６）

次に、このような４レグ構成の２系統のインバータ６０１、６０２を用いて巻線組８０１、８０２に３相交流電圧を印加する原理について、図５を参照して説明する。
図５は、回転機駆動システム１１１における各相の巻線の両端の電圧Ｖ、及び、巻線を流れる電流Ｉを示している。下母線Ｌｇをゼロ電位とし、Ｗ相巻線８１３、８２３同士の接続点の電位をＶＮ、第１巻線組８０１の中性点の電位をＶｎ１、第２巻線組８０２の中性点の電位をＶｎ２とする。また、インバータ６０１、６０２の各レグの出力を単相交流電源Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｘ、Ｖｙとして示している。

２系統の各相の巻線を流れる電流Ｉの関係は、式２．１のように表される。
Ｉｕ１＋Ｉｖ１＝Ｉｗ１＝−Ｉｗ２＝−Ｉｕ２−Ｉｖ２ ・・・（２．１）
第１系統について、巻線のインピーダンスをＺとすると、式２．２のようになる。
Ｖｎ１＝Ｖａ−（Ｉｕ１×Ｚ）＝Ｖｂ−（Ｉｖ１×Ｚ）＝ＶＮ−（Ｉｗ１×Ｚ）
・・・（２．２）
式２．１、２．２より、式２．３が得られる。
３Ｖｎ１＝Ｖａ＋Ｖｂ＋ＶＮ・・・（２．３）
第２系統について、式２．２、２．３と同様に、式２．４、２．５が得られる。
Ｖｎ２＝Ｖｘ−（Ｉｕ２×Ｚ）＝Ｖｙ−（Ｉｖ２×Ｚ）＝ＶＮ−（Ｉｗ２×Ｚ）
・・・（２．４）
３Ｖｎ２＝Ｖｘ＋Ｖｙ＋ＶＮ・・・（２．５）

続いて、式２．２、２．４より、式２．６が導かれる。
ＶＮ＝Ｖａ−（Ｉｕ１×Ｚ）＋（Ｉｗ１×Ｚ）
＝Ｖｂ−（Ｉｖ１×Ｚ）＋（Ｉｗ１×Ｚ）
＝Ｖｘ−（Ｉｕ２×Ｚ）＋（Ｉｗ２×Ｚ）
＝Ｖｙ−（Ｉｖ２×Ｚ）＋（Ｉｗ２×Ｚ） ・・・（２．６）

さらに、式２．１、２．６より、式２．７が導かれる。
４ＶＮ＝Ｖａ＋Ｖｂ＋Ｖｘ＋Ｖｙ−｛（Ｉｕ１＋Ｉｖ１＋Ｉｕ２＋Ｉｖ２）×Ｚ｝
＋｛２×（Ｉｗ１＋Ｉｗ２）×Ｚ｝
＝Ｖａ＋Ｖｂ＋Ｖｘ＋Ｖｙ ・・・（２．７）

ここで、３相巻線に印加される電圧は、式３．１〜３．６で表される。
Ｖｕ１＝Ｖａ−Ｖｎ１ ・・・（３．１）
Ｖｖ１＝Ｖｂ−Ｖｎ１ ・・・（３．２）
Ｖｗ１＝ＶＮ−Ｖｎ１ ・・・（３．３）
Ｖｕ２＝Ｖｘ−Ｖｎ２ ・・・（３．４）
Ｖｖ２＝Ｖｙ−Ｖｎ２ ・・・（３．５）
Ｖｗ２＝ＶＮ−Ｖｎ２ ・・・（３．６）

第１インバータ６０１及び第２系統インバータ６０２の対応するレグの電圧を正負逆転の関係、すなわち、「Ｖａ＝−Ｖｘ、Ｖｂ＝−Ｖｙ」とすれば、式２．７にて、ＶＮ＝０となる。したがって、式２．３、２．５は、式２．３’、２．５’のように書き換えられる。
Ｖｎ１＝（Ｖａ＋Ｖｂ）／３ ・・・（２．３’）
Ｖｎ２＝（Ｖｘ＋Ｖｙ）／３ ・・・（２．５’）

式２．３’、２．５’を式３．１〜３．６に代入すると、式３．１’〜３．６’が得られる。
Ｖｕ１＝Ｖａ−（Ｖａ＋Ｖｂ）／３ ・・・（３．１’）
Ｖｖ１＝Ｖｂ−（Ｖａ＋Ｖｂ）／３ ・・・（３．２’）
Ｖｗ１＝−（Ｖａ＋Ｖｂ）／３ ・・・（３．３’）
Ｖｕ２＝Ｖｘ−（Ｖｘ＋Ｖｙ）／３ ・・・（３．４’）
Ｖｖ２＝Ｖｙ−（Ｖｘ＋Ｖｙ）／３ ・・・（３．５’）
Ｖｗ２＝−（Ｖｘ＋Ｖｙ）／３ ・・・（３．６’）

ここで、電気角θに対する３相電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を式４．１〜４．３のように定義する。
Ｖ１＝ｓｉｎθ ・・・（４．１）
Ｖ２＝ｓｉｎ（θ−１２０） ・・・（４．２）
Ｖ３＝ｓｉｎ（θ＋１２０） ・・・（４．３）

Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３は、いずれも振幅が１で同一であり、位相が互いに１２０ｄｅｇずれた正弦波であるため、式４．４が成り立つ。
Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３＝０ ・・・（４．４）
さらに、各レグの出力Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｘ、Ｖｙと３相電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３との関係を式４．５、４．６のように定める。
Ｖａ＝−Ｖｘ＝Ｖ１−Ｖ３ ・・・（４．５）
Ｖｂ＝−Ｖｙ＝Ｖ２−Ｖ３ ・・・（４．６）

式４．４〜４．６を式３．１’〜３．６’に代入すると、次式５．１〜５．６が得られる。
Ｖｕ１＝（Ｖ１−Ｖ３）−（Ｖ１＋Ｖ２−２Ｖ３）／３
＝（Ｖ１−Ｖ３）−（−３Ｖ３）／３＝ Ｖ１ ・・・（５．１）
Ｖｖ１＝ Ｖ２ ・・・（５．２）
Ｖｗ１＝ Ｖ３ ・・・（５．３）
Ｖｕ２＝−Ｖ１ ・・・（５．４）
Ｖｖ２＝−Ｖ２ ・・・（５．５）
Ｖｗ２＝−Ｖ３ ・・・（５．６）
以上より、回転機駆動システム１１１は、２系統のインバータ６０１、６０２の４つのレグを用いて２系統の巻線組８０１、８０２に３相交流電圧を印加可能であることが理論的に説明される。

次に、制御部６５の構成について、図６、図７を参照して説明する。
制御部６５は、図示しないマイコン、駆動回路（プリドライバ）等で構成される。マイコンは、トルク信号、回転角信号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。駆動回路は、スイッチング素子６１１〜６１４、６２１〜６２４のゲートに接続され、マイコンの制御に基づいてスイッチング出力する。
制御部６５は、減算器２１、電流フィードバック制御器２２、２相３相変換部２３、４レグ出力算出部２４、電圧／デューティ変換部２７、相電流算出部２８、３相２相変換部２９等を含む。

減算器２１は、ｄ軸電流指令Ｉｄ^*及びｑ軸電流指令Ｉｑ^*と、３相２相変換部２９からフィードバックされたｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑとの電流偏差ΔＩｄ、ΔＩｑを算出する。電流フィードバック制御器２２は、例えばＰＩ（比例積分）制御演算により、電流偏差ΔＩｄ、ΔＩｑを０に収束させるように電圧指令Ｖｄ、Ｖｑを演算する。
２相３相変換部２３は、回転角センサ８５からフィードバックされた回転角θに基づき、電圧指令Ｖｄ、ＶｑをＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換して４レグ出力算出部２４に出力する。

４レグ出力算出部２４は、上記の式４．５、４．６、及び式５．１〜５．６に基づく下式６．１〜６．４により、インバータ６０１、６０２の４つのレグの出力Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｘ、Ｖｙを、３相電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗから算出する。
Ｖａ＝Ｖｕ−Ｖｗ ・・・（６．１）
Ｖｂ＝Ｖｖ−Ｖｗ ・・・（６．２）
Ｖｘ＝−（Ｖｕ−Ｖｗ） ・・・（６．３）
Ｖｙ＝−（Ｖｖ−Ｖｗ） ・・・（６．４）

ここで、各レグについて、デューティＤ（％）を次のように定義する。
Ｄ＝｛上ＳＷオン時間／（上ＳＷオン時間＋下ＳＷオン時間）｝×１００
なお、上下ＳＷが同時にオフするデッドタイムは無視し、上ＳＷオン時間＝下ＳＷオフ時間、上ＳＷオフ時間＝下ＳＷオン時間とみなす。ａレグ、ｂレグ、ｘレグ、ｙレグについてのデューティを、それぞれ、Ｄａ、Ｄｂ、Ｄｘ、Ｄｙと表す。

電圧／デューティ変換部２７は、４レグ出力算出部２４が算出した出力Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｘ、ＶｙをデューティＤａ、Ｄｂ、Ｄｘ、Ｄｙに変換する。このデューティＤａ、Ｄｂ、Ｄｘ、Ｄｙに基づき、各レグのスイッチング素子６１１〜６１４、６２１〜６２４をオンオフすることで、インバータ６０１、６０２は、３相交流電圧を生成し、巻線組８０１、８０２に印加する。

具体的には図７（ｃ）に示すように、デューティＤａ、Ｄｂ、Ｄｘ、Ｄｙは、中心電圧に対応するデューティを５０％として算出される。第１インバータ６０１のａレグ、ｂレグの出力と、第２インバータ６０２のｘレグ、ｙレグの出力とは正負逆転している。
また、図７（ａ）、（ｂ）に示す３相電流との電気角（位相）θの対応について、Ｋｄを比例定数とすると、ａレグのデューティＤａはＫｄ×ｓｉｎ（θ−３０）で表され、ｂレグのデューティＤｂはＫｄ×ｓｉｎ（θ−９０）で表される。

相電流算出部２８は、電流検出手段４０１、４０２が検出した系統毎の相電流検出値に基づき、３相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを算出する。本実施形態では、相電流検出値として各系統２相の相電流Ｉｕ１、Ｉｖ１、Ｉｕ２、Ｉｖ２を検出する例を示している。しかし、電流検出手段４０１、４０２の構成はこれに限らず、構成の違いによって３相電流の算出方法が異なる。そこで、電流検出手段４０１、４０２の種々の構成、及び３相電流算出方法については、各実施形態の説明の後、まとめて説明する。
３相２相変換部２９は、回転角センサ８５からフィードバックされた回転角θに基づき、相電流算出部２８が算出した３相の相電流検出値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを、ｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑに変換する。

故障判定手段４５は、電流検出手段４０１、４０２が検出した相電流検出値に基づき、各系統の巻線組８０１、８０２、またはインバータ６０１、６０２の故障を判定する。この故障には、スイッチング素子のショート故障やモータ巻線の天絡または地絡故障、或いは、スイッチング素子やモータ巻線のオープン故障等を含む。
そして、故障したと判定された場合、制御部６５は、回転機駆動システムの構成に応じた処理を実行する。例えば、後述する第２実施形態のように系統毎に通電を遮断可能な遮断手段を備えたシステムでは、故障した系統の遮断手段を遮断状態とし、ブレーキ電流が流れることを防止する。

従来の２系統の回転機駆動システムが１２個のスイッチング素子からなる６つのレグで３相モータを駆動していたのに対し、本実施形態の２系統の回転機駆動システム１１１では、８個のスイッチング素子からなる４つのレグで３相モータ８０を駆動することができる。これにより、スイッチング素子の数を、１２個から８個に４個減らすことができる。したがって、回路基板のスペースや部品コストを低減することができる。

また、本実施形態の回転機駆動システム１１１が適用される電動パワーステアリング装置１は、モータ８０の出力トルクに変動が生じた場合、運転者による操舵トルクが外部から加えられることで出力トルクの変動を抑制可能である。したがって、本実施形態の回転機駆動システム１１１が特に有効に適用される。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による回転機駆動システムについて、図８〜図１１を参照して説明する。
図８に示す第２実施形態の回転機駆動システム１１２は、第１実施形態の回転機駆動システム１１１（図１参照）に対し、電源リレー７１０、７２０、及びモータリレー７１１、７１２、７２１、７２２、７４をさらに備えている。電源リレー及びモータリレーは、それぞれ、特許請求の範囲に記載の「電源側遮断手段」及び「巻線側遮断手段」に相当し、回路の通電を遮断可能である。第２実施形態では、これらの電源リレー及びモータリレーは、還流ダイオードを有する半導体スイッチング素子で構成されている。

電源リレー７１０は、バッテリ５０と第１インバータ６０１との間に設けられ、電源リレー７２０は、バッテリ５０と第２インバータ６０２との間に設けられている。電源リレー７１０、７２０は、バッテリ５０の正極と負極とを図示の向きに接続したときだけでなく、図示と逆向きに接続したときでも、遮断時に還流ダイオードを経由して電流が流れることを防ぐため、還流ダイオードが互いに反対向きの２つの半導体スイッチング素子を対にして用いられる。

モータリレー７１１、７１２は、第１インバータ６０１のａレグ及びｂレグの出力端と第１巻線組８０１のＵ相及びＶ相巻線８１１、８１２との間にそれぞれ設けられている。
モータリレー７２１、７２２は、第２インバータ６０２のｘレグ及びｙレグの出力端と第２巻線組８０２のＵ相及びＶ相巻線８２１、８２２との間にそれぞれ設けられている。
モータリレー７１１、７１２、７２１、７２２の還流ダイオードは、本実施形態では、インバータ側からモータ側に向かう向きに設置されている。しかし、他の実施形態では、これと逆に、モータ側からインバータ側に向かう向きとしてもよい。

モータリレー７４は、互いに接続される第１巻線組８０１のＷ相巻線８１３と第２巻線組８０２のＷ相巻線８２３との間に設けられている。モータリレー７４は、双方向の通電を遮断するため、還流ダイオードが反対向きの２つの半導体スイッチング素子を対にして用いられる。

この回転機駆動システム１１２は、故障検出手段４５（図６参照）によって、いずれか一方の系統の巻線組またはインバータが故障したと判定されたとき、故障した系統の電源リレー及びモータリレーを遮断状態とし、他方の系統の巻線組及びインバータによる「片系統駆動」により、モータ８０の駆動を継続することを特徴とする。
例えば第２系統が故障したと仮定すると、図９（ａ）に示すように、第２系統の電源リレー７２０、モータリレー７２１、７２２、及び両系統に跨がるモータリレー７４をオフする。すると、回転機駆動システム１１２は、図９（ｂ）に示す１系統の駆動回路と等価となる。

このように、故障した系統の電源リレー及びモータリレーを遮断状態とすることで、スイッチング素子のショート故障やモータ巻線の天絡または地絡故障の場合、故障した系統にブレーキ電流が流れないようにしつつ、片系統駆動を実行することができる。
なお、スイッチング素子やモータ巻線のオープン故障の場合には、電源リレー及びモータリレーを遮断状態としなくても、或いは、第１実施形態のように電源リレー及びモータリレーを設けていなくても、片系統での駆動が可能である。

続いて、片系統の２相でモータ８０を駆動するための構成について、図１０、図１１を参照して説明する。３相モータを２相で駆動する技術は、例えば特許４４９８３５３号公報に開示されている。
図１０では、故障した第２巻線組８０２を×印で示す。制御部６５は、モータ８０のトルクをトルク指令Ｔｒｑ^*に追従させるため、正常な第１系統について、巻線組８０１を流れる電流Ｉが、トルク指令Ｔ^*に基づいて算出した電流指令Ｉ^*に追従するよう電流制御する。

制御部６５は、トルク／２相電流変換部３０、減算器３１、電流フィードバック制御器３２、２レグ出力算出部３４、電圧／デューティ変換部３７、電流算出部３８等を備えている。

トルク／２相電流変換部３０は、回転角センサ８５からフィードバックされた回転角θに基づき、トルク指令Ｔ^*を電流指令Ｉ^*に変換する。
ここで、Ｕ相逆起電圧をＥｓｉｎθ、Ｖ相逆起電圧をＥｓｉｎ（θ−１２０）とすると、Ｕ相からＶ相に電流Ｉを流すことで発生するトルクは、Ｋｔを比例定数とすると、式７．１のようになる。
Ｉ×Ｋｔ×ｓｉｎθ−Ｉ×Ｋｔ×ｓｉｎ（θ−１２０）
＝（√３）Ｉ×Ｋｔ×ｓｉｎ（θ＋３０） ・・・（７．１）
よって、トルク指令Ｔ^*から電流指令Ｉ^*への変換式は、式７．２のようになる。
Ｉ^*＝（１／Ｋｔ）×Ｔ^*／｛（√３）ｓｉｎ（θ＋３０）｝ ・・・（７．２）

これより図１１に示すように、電流指令Ｉ^*は、電気角θ［ｄｅｇ］に対し、−３０＜θ＜１５０のとき正、１５０＜θ＜３３０のとき負の値を取る。また、θ＝−３０（３３０）、１５０のとき式７．２の分母が０となり電流指令Ｉ^*が無限大となる。そこで、定格電流Ｉmaxを設定し、電流指令Ｉ^*の絶対値がＩmax以内の範囲になるように上下限を制限する。

減算器３１は、電流指令Ｉ^*と、電流算出部３８からフィードバックされた電流Ｉとの電流偏差ΔＩを算出する。電流フィードバック制御器３２は、電流偏差ΔＩを０に収束させるように電圧指令Ｖを演算する。
２レグ出力算出部３４は、第１インバータ６０１のａレグ及びｂレグの電圧指令Ｖａ、Ｖｂを算出する。電圧／デューティ変換部３７は、電圧指令Ｖａ、Ｖｂをデューティ指令Ｄａ、Ｄｂに変換し、第１インバータ６０１に出力する。

ここで、バッテリ電圧をＶＤとすると、デューティ指令Ｄａ、Ｄｂは、式８．１、８．２のように表される。
Ｄａ（％）＝（Ｖａ／ＶＤ）×１００＋５０ ・・・（８．１）
Ｄｂ（％）＝（Ｖｂ／ＶＤ）×１００＋５０ ・・・（８．２）

第１インバータ６０１の出力による２相の相電流Ｉｕ１、Ｉｖ１は、電流検出手段４０１によって検出される。電流算出部３８は、検出された相電流Ｉｕ１、Ｉｖ１から電流Ｉを算出し、減算器３１にフィードバックする。

以上のように、第２実施形態の回転機駆動システム１１２は、いずれか一方の系統の巻線組またはインバータが故障したとき、他方の系統の巻線組及びインバータによる「片系統駆動」により、モータ８０の駆動を継続することができる。
例えば、電動パワーステアリング装置１に適用された場合、一方の系統の巻線組またはインバータが故障しても直ちにモータ８０の駆動を停止するのではなく、片系統で駆動を継続することで、運転者は、操舵アシストトルクを得つつ、ディーラー等まで車両を運転することができる。

（第３実施形態）
図１２に示す本発明の第３実施形態の回転機駆動システム１１３は、第２実施形態の回転機駆動システム１１２（図８参照）に対し、第１系統Ｖ相巻線８１２が第２インバータ６０２のｘレグに接続され、第２系統Ｕ相巻線８２１が第１インバータ６０１のｂレグに接続されている点が異なる。
電源リレー７１０が遮断したとき、両系統のＵ相巻線８１１、８２１への通電が遮断されるとともに、第２インバータ６０２のｘレグ及びｙレグにより、両系統のＶ相巻線８１２、８２２への通電が継続可能である。逆に、電源リレー７２０が遮断したとき、両系統のＶ相巻線８１２、８２２への通電が遮断されるとともに、第１インバータ６０１のａレグ及びｂレグにより、両系統のＵ相巻線８１１、８２１への通電が継続可能である。

両系統のＵ相巻線同士またはＶ相巻線同士は、逆起電圧が１８０ｄｅｇずれている。すなわち、正負逆転した逆起電圧が発生する。
第２実施形態のように、同一の巻線組を構成する位相差１２０ｄｅｇのＵ相及びＶ相巻線を同一のインバータのレグの出力端に接続した構成では、片系統駆動における２相の逆起電圧の振幅は、１相の電圧振幅の（√３）倍となる。それに対し、第３実施形態の構成では、片系統駆動における２相の逆起電圧の振幅は、１相の電圧振幅の２倍となる。したがって電圧振幅が大きくなるため、より大きなモータトルクを得ることができる。

（第４実施形態）
図１３に示す本発明の第４実施形態は、第１実施形態の２系統の回転機駆動システム１１１（図１参照）に対し、第３系統のインバータ６０３及び巻線組８０３が並列に追加された３系統の回転機駆動システム１１４である。第３インバータ６０３の構成は、第１、第２インバータ６０１、６０２と同様であるので説明を省略する。

第４実施形態では、３つの巻線組８０１、８０２、８０３による「相グループ」の構成に特徴がある。３系統の場合、表１のように、各系統から３相のうち１相を組み合わせて３つの相グループを定義することで、「相グループ毎の逆起電圧の和が０となる」ようにすることができる。

この相グループに基づき、第１相グループ及び第２相グループを構成する巻線は、対応するインバータの２つのレグの出力端に接続されている。また、第３相グループを構成する巻線同士は、互いに接続されている。
このように、本発明の回転機駆動システムは、３系統以上の複数系統のシステムにも適用することができる。

以下の第５、第６実施形態では、上記実施形態と同様の符号等の図示を適宜省略する。
（第５実施形態）
図１４に示す第５実施形態のように、モータ８０を構成する３相巻線組８０４、８０５は、上記第１実施形態のＹ結線に代えてΔ結線としてもよい。
また、２系統のうち１系統をＹ結線、もう１系統をΔ結線としてもよい。

（第６実施形態）
第２実施形態（図８参照）の半導体モータリレー７１１、７１２、７２１、７２２、７４に代えて、図１５（ａ）に示す第６実施形態のように、機械式モータリレー７６１、７６２、７７１、７７２、７９を「巻線側遮断手段」として用いてもよい。
この場合、図１５（ｂ）に示すように、インバータ６０１、６０２と巻線組８０１、８０２との間の「巻線側遮断手段」について、第１系統はＵ相巻線８１１側のモータリレー７６１のみとし、第２系統はＶ相巻線８２２側のモータリレー７７２のみとしてもよい。

［電流検出手段の配置と相電流算出方法］
最後に、電流検出手段４０１、４０２を構成する電流検出素子の配置、及び電流検出値に基づく相電流算出の例について、図１６〜図１９を参照して説明する。図１６〜図１９では、電流検出素子を簡単に「○印」で図示する。
図１６（ａ）に示す例は、上記各実施形態（図１、図８等参照）に示す代表例である。この例では、第１インバータ６０１のａレグ、ｂレグ、及び、第２インバータ６０２のｘレグ、ｙレグの下ＳＷと下母線Ｌｇとの間に、それぞれ電流検出素子４１１、４１２、４２１、４２２を設けている。以下、電流検出素子４１１、４１２、４２１、４２２の各電流検出値をＩａ、Ｉｂ、Ｉｘ、Ｉｙと表す。

Ｕ相電流Ｉｕ及びＶ相電流Ｉｖは、式９．１、９．２、または、「Ｉａ＝−Ｉｘ、Ｉｂ＝−Ｉｙ」の関係を前提とした式９．３、９．４により算出される。４つの電流検出値に基づく式９．１、９．２を用いる方がノイズの影響を低減できるため有利である。
また、Ｗ相電流Ｉｗは、キルヒホッフの法則に基づく式１０．１により算出される。
Ｉｕ＝（Ｉａ−Ｉｘ）／２ ・・・（９．１）
Ｉｖ＝（Ｉｂ−Ｉｙ）／２ ・・・（９．２）
Ｉｕ＝Ｉａ ・・・（９．３）
Ｉｖ＝Ｉｂ ・・・（９．４）
Ｉｗ＝−Ｉｕ−Ｉｖ ・・・（１０．１）

図１６（ｂ）に示す例は、図１６（ａ）のｂレグ及びｘレグの電流検出素子４１２、４２１を廃止した例である。Ｕ相電流Ｉｕ及びＶ相電流Ｉｖは、式９．３、９．４’により算出される。式９．４’は、式９．４に対し、電流検出値Ｉｂを（−Ｉｙ）に置き換えたものである。
Ｉｕ＝Ｉａ ・・・（９．３）
Ｉｖ＝−Ｉｙ ・・・（９．４’）
Ｉｗ＝−Ｉｕ−Ｉｖ ・・・（１０．１）

図１７（ａ）に示す例は、第１インバータ６０１のａレグと第１Ｕ相巻線８１１との間、同ｂレグと第１Ｖ相巻線８１２との間、第２インバータ６０２のｘレグと第２Ｕ相巻線８２１との間、同ｙレグと第２Ｖ相巻線８２２との間に、それぞれ電流検出素子４１３、４１４、４２３、４２４を設けている。以下、電流検出素子４１３、４１４、４２３、４２４の各電流検出値をＩｕ１、Ｉｖ１、Ｉｕ２、Ｉｖ２と表す。

Ｕ相電流Ｉｕ及びＶ相電流Ｉｖは、式９．５、９．６、または、「Ｉｕ１＝−Ｉｕ２、Ｉｖ１＝−Ｉｖ２」の関係を前提とした式９．７、９．８により算出される。４つの電流検出値に基づく式９．５、９．６を用いる方がノイズの影響を低減できるため有利である。
また、Ｗ相電流Ｉｗは、図１６（ａ）の例と同様、式１０．１により算出される。
Ｉｕ＝（Ｉｕ１−Ｉｕ２）／２ ・・・（９．５）
Ｉｖ＝（Ｉｖ１−Ｉｖ２）／２ ・・・（９．６）
Ｉｕ＝Ｉｕ１ ・・・（９．７）
Ｉｖ＝Ｉｖ１ ・・・（９．８）
Ｉｗ＝−Ｉｕ−Ｉｖ ・・・（１０．１）

図１７（ｂ）に示す例は、図１７（ａ）のｂレグと第１Ｖ相巻線８１２との間、及び、ｘレグと第２Ｕ相巻線８２１との間の電流検出素子４１４、４２３を廃止した例である。Ｕ相電流Ｉｕ及びＶ相電流Ｉｖは、式９．７、９．８’、により算出される。式９．８’は、式９．８に対し、電流検出値Ｉｖ１を（−Ｉｖ２）に置き換えたものである。
Ｉｕ＝Ｉｕ１ ・・・（９．７）
Ｉｖ＝−Ｉｖ２ ・・・（９．８’）
Ｉｗ＝−Ｉｕ−Ｉｖ ・・・（１０．１）

図１８に示す例は、図１７（ａ）の例に対し、第１Ｗ相巻線８１３と第２Ｗ相巻線８２３との間に電流検出素子４４を追加した例である。この例では、Ｗ相電流をキルヒホッフの法則から算出するのではなく、電流検出素子４４の電流検出値Ｉｗ１として直接検出する。すなわち、式１０．２を採用する。
Ｉｗ＝Ｉｗ１ ・・・（１０．２）
なお、図１７（ｂ）の例に対して電流検出素子４４を追加してもよい。

その他の参考例を図１９（ａ）、（ｂ）に示す。
図１９（ａ）の例では、インバータ６０１、６０２の上母線Ｌｐに電流検出素子４１０、４２０が配置されている。図１９（ｂ）の例では、インバータ６０１、６０２の下母線Ｌｇに電流検出素子４１９、４２９が配置されている。

（その他の実施形態）
（ア）第４実施形態を除く２系統の実施形態では巻線同士が接続される相をＷ相として説明したが、Ｗ相に限らず、Ｕ相またはＶ相の巻線同士を接続してもよい。
（イ）上記第２、第３実施形態では電源リレー及びモータリレーを両方備えているが、電源リレーまたはモータリレーの一方のみを備える構成としてもよい。

（ウ）インバータを構成するスイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴ以外の電界効果トランジスタやＩＧＢＴ等であってもよい。
（エ）回転機はモータ以外に発電機であってもよく、当然ながら用途は限定されない。本発明は、電動パワーステアリング装置に限らず、あらゆる回転機を駆動する回転機駆動システムとしても適用することができる。
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。

１１１〜１１４ ・・・回転機駆動システム、
５０ ・・・バッテリ（電源）、
６０１、６０２、６０３ ・・・インバータ（電力変換器）、
６１１〜６１４、６２１〜６２４・・・スイッチング素子、
６５ ・・・制御部、
８０ ・・・モータ（回転機）、
８０１、８０２、８０３ ・・・巻線組。

Claims (9)

1. 複数系統の３相の巻線組（８０１、８０２、８０３）を有する回転機（８０）と、
   各系統の前記巻線組に対応して設けられ、ブリッジ接続された複数のスイッチング素子（６１１〜６１４、６２１〜６２４）からなる２つのレグを有し、対応する前記巻線組に交流電流を供給する複数系統の電力変換器（６０１、６０２、６０３）と、
   前記複数系統の電力変換器の駆動を制御する制御部（６５）と、
   を備え、
   前記複数系統の３相の巻線組は、
   各系統から３相のうち１相を選択し組み合わせた３組の相グループについて、当該相グループ毎の逆起電圧の和が０となるように巻線が巻回されており、
   いずれか１つの前記相グループを構成する各系統の前記巻線組の１相の巻線同士を互いに接続し、残り２つの前記相グループを構成する各系統の前記巻線組の２相の巻線を前記電力変換器の２つのレグの出力端に接続したことを特徴とする回転機駆動システム（１１１、１１２、１１３、１１４）。
2. 前記回転機は、２系統の前記巻線組である第１巻線組（８０１）及び第２巻線組（８０２）を有し、
   前記複数系統の電力変換器は、前記第１巻線組に対応する第１電力変換器（６０１）、及び、前記第２巻線組に対応する第２電力変換器（６０２）からなり、
   前記第１巻線組及び前記第２巻線組は、前記相グループ毎に、正負逆転した逆起電圧が発生することを特徴とする請求項１に記載の回転機駆動システム（１１１、１１２、１１３）。
3. 前記制御部は、
   前記第１電力変換器の第１のレグの出力（Ｖａ）と、前記第２電力変換器の第１のレグの出力（Ｖｘ）とを所定の中心電圧に対して正負逆転するように駆動し、
   前記第１電力変換器の第２のレグの出力（Ｖｂ）と、前記第２電力変換器の第２のレグの出力（Ｖｙ）とを前記所定の中心電圧に対して正負逆転するように駆動することを特徴とする請求項２に記載の回転機駆動システム。
4. 前記第１巻線組と前記第１電力変換器との間、前記第２巻線組と前記第２電力変換器との間、及び、互いに接続される前記第１巻線組と第２巻線組との間に設けられ、通電を遮断可能な巻線側遮断手段（７１１、７１２、７２１、７２２、７４）を備えることを特徴とする請求項２または３に記載の回転機駆動システム（１１２、１１３）。
5. 前記第１電力変換器及び前記第２電力変換器と電力の授受を行う電源（５０）と、
   前記電源と前記第１電力変換器との間、及び、前記電源と前記第２電力変換器との間に設けられ、通電を遮断可能な電源側遮断手段（７１０、７２０）と、
   を備えることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の回転機駆動システム（１１２、１１３）。
6. 前記巻線組のいずれかの巻線または前記電力変換器のいずれかのレグを流れる電流を検出する電流検出手段（４１１、４１２、４１３、４１４、４２１、４２２、４２３、４２４、４４）を系統毎に備え、
   前記制御部は、前記電流検出手段の検出値に基づいて前記巻線組または前記電力変換器の故障を判定し、
   一方の系統の前記巻線組または前記電力変換器が故障したと判定された場合、他方の系統の前記巻線組及び前記電力変換器により前記回転機の駆動を継続することを特徴とする請求項２または３に記載の回転機駆動システム（１１２、１１３）。
7. 前記巻線組のいずれかの巻線または前記電力変換器のいずれかのレグを流れる電流を検出する電流検出手段を系統毎に備え、
   前記制御部は、前記電流検出手段の検出値に基づいて前記巻線組または前記電力変換器の故障を判定し、
   故障したと判定された系統の前記巻線側遮断手段を遮断状態とすることを特徴とする請求項４に記載の回転機駆動システム。
8. 前記巻線組のいずれかの巻線または前記電力変換器のいずれかのレグを流れる電流を検出する電流検出手段を系統毎に備え、
   前記制御部は、前記電流検出手段の検出値に基づいて前記巻線組または前記電力変換器の故障を判定し、
   故障したと判定された系統の前記電源側遮断手段を遮断状態とすることを特徴とする請求項５に記載の回転機駆動システム。
9. 運転者の操舵を補助するためのアシストトルクを発生する回転機の駆動に適用される請求項１〜８のいずれか一項に記載の回転機駆動システムと、
   前記回転機の出力をステアリングシャフトに伝達する動力伝達手段（８９）と、
   を備えた電動パワーステアリング装置（１）。

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