JP2014180105A - モータの駆動制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体リレーを用いた遮断回路を備え、インバータのデューティ制御によってモータを駆動する制御装置において、相間の駆動デューティに偏りがある運転状況でもモータを安定して駆動させる。
【解決手段】インバータ回路3の3相の出力ラインを、モータ4の各相に接続すると共に昇圧回路10に接続し、モータ4の駆動時に昇圧回路10で昇圧された出力を、モータ4の各相に接続した各半導体リレー5U,5V,5Wに駆動信号として分配し、さらに、昇圧回路10の作動を停止してモータの駆動を遮断するスイッチ回路11を昇圧回路11に電源を供給するラインに介装して配設する。
【選択図】図3

Description

本発明は、モータの駆動を停止する遮断回路を備えたモータの駆動制御装置に関する。
特許文献1には、電動パワーステアリング装置において、インバータ回路とモータとを結ぶ各相の出力ラインに、機械式リレーに比較して信頼性の高い半導体リレーを用いて半導体リレーを設け、モータの駆動を遮断するときには、該半導体リレーをオフとしてモータの駆動を停止する技術が開示されている。
特開昭2006−21645号
しかしながら、特許文献1では、インバータ回路のある相が他の相に比較して特に大きなデューティで制御される運転状況で、該デューティが大きい相の出力ラインにおいてモータ駆動中に昇圧回路の昇圧がなされず、または昇圧が不足し、半導体リレーがオフとなってモータの駆動が停止してしまう可能性があった。
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、信頼性の高い半導体リレーを用いた遮断回路を備えたモータの駆動制御装置において、相間の駆動デューティに偏りがある運転状況でもモータを安定して駆動させることを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は、
n(≧3)相のインバータ回路の各相の出力ラインを、n相のモータの各相に接続し、インバータ回路の出力信号に基づいてモータを駆動制御するモータ駆動制御装置であって、以下のように構成される。
インバータ回路の(n−1)相以上の出力ラインと接続した昇圧回路と、インバータ回路の(n−1)相以上の出力ラインと接続されたモータの各相に接続した半導体リレーと、を配設し、モータの駆動時に前記昇圧回路で昇圧された出力を、各半導体リレーに駆動信号として分配すると共に、昇圧回路の作動を停止してモータの駆動を遮断するスイッチ回路を配設する。
モータ駆動中に、インバータ回路のある相が他の相に比較して特に大きなデューティで制御される運転状況でも、昇圧回路によって比較的大きなオフデューティを有する他の相によって昇圧された出力が、各半導体リレーに分配されることにより、各半導体リレーがオフとなることを抑制されつつモータの駆動を継続できる。また、スイッチ回路により昇圧回路の昇圧を停止したときは、各半導体リレーがオフとされてモータの駆動を停止できる。
車両の電動パワーステアリング装置(EPS)のシステム構成図。 同上EPS等に適用される本発明にかかるモータの駆動制御装置の概要を示す図。 上記モータの駆動制御装置の、詳細な第1実施形態の回路図。 インバータ回路のU、V、W各相がデューティ50%で駆動されるときの、各部の電位を示すタイムチャート。 インバータ回路のU相がデューティ100%、V,W相がデューティ50%で駆動されるときの、各部の電位を示すタイムチャート。 インバータ回路のU,V,W相が相違するデューティで駆動されるときの、各部の電位を示すタイムチャート。 上記モータの駆動制御装置の、詳細な第2実施形態の回路図。
以下、本発明の実施形態を、図面に基づき説明する。
図1は、車両の電動パワーステアリング装置(EPS)のシステム構成図である。
EPSが適用されるステアリング装置は、操作機構とギヤ機構とリンク機構を有している。
操作機構は、ステアリングホイールSWとステアリングシャフト(コラムシャフト)SSを有している。ステアリングシャフトSSは第1シャフトS1と第2シャフトS2(中間シャフト)からなる。
ギヤ機構はラック&ピニオン型であり、ラックRとピニオンPを有している。ピニオンPは、第2シャフトS2に連結されたピニオンシャフトPSの先端に設けられており、ラックRと噛み合っている。
リンク機構は、ラックRに連結されたタイロッドTRと、タイロッドTRに連結された転舵輪FL,FRとを有している。
EPS101は、電動モータ102がギヤを直接駆動して補助力を発生する電動直結式であり、ピニオンシャフトPSに取り付けられてピニオンシャフトPSの回転に対して補助動力を与えるピニオンアシスト式である。
EPS101は、電源としてのバッテリBATTから供給される電力(電流)により駆動されるモータ102と、モータ102の回転を減速する減速ギヤ機構103と、操舵トルクを検出するトルクセンサTSと、モータ102の回転(回転角ないし回転位置)を検出する図示しないレゾルバと、これらセンサ類から信号の入力を受けてモータ102の駆動を制御する電子制御ユニットECUとを有している。これらの構成部品は同一のハウジングHSGの内部に収容されており、EPS101は機電一体型のユニットとして構成されている。
これはピニオンEPSの例で、他にデュアルピニオンEPS、ラックEPS、コラムEPSなどがある。
図2は、上記電子制御パワステアリングシステム等に使用される、遮断回路を含んだモータの駆動制御装置の概要を示す。
CPU1は、インバータ駆動用のPWM信号をドライバ回路(FETドライバ)2に出力する。ドライバ回路2は、インバータ駆動用のPWM信号の電圧レベルを拡大したPWM信号をインバータ回路3に出力する。
インバータ回路3は、各半導体スイッチ素子のスイッチング制御を行って、U相、V相、W相の各出力ラインを介して、各相のPWM信号を3相モータ4(図1のEPSにおけるモータ102)の各相に出力する。これにより、モータ4が駆動される。
電子制御パワステアリングシステムに適用したものでは、モータ4の駆動によって発生した駆動力により、運転者のステアリングの操舵力が補助される。
また、電子制御パワステアリングシステムでは、車体に事故が発生し、ステアリングを操舵するアシスト力を無効にする必要があり、この際にモータの駆動を遮断するためモータの遮断回路が設けられる。
図2においてモータの遮断回路が以下のように構成されている。
モータ4の各相(ステータコイルのU,V,W相)は、インバータ回路3からPMW信号を入力する一端側とは反対側の他端同士が半導体リレー5(5U,5V,5W)を介して中性点で接続される。
また、インバータ回路3のU,V,W各相の出力ラインは、それぞれ分岐して昇圧回路10に接続され、モータ4駆動中は、昇圧回路10で昇圧された制御信号(ゲート電圧)を半導体リレー5に供給してモータ4の駆動を許容するが、CPU1からモータ4の駆動を遮断させる指令が出力されると、該指令を入力したスイッチ回路11が昇圧回路10の作動を停止して、半導体リレー5をオフに維持し、モータ4を停止させる。
図3は、上記概要構成を有したモータの駆動制御装置の、詳細な第1実施形態の回路図を示す。
インバータ回路3は、3相FETブリッジ回路で構成され、モータ4(ステータコイル)のU相、V相、W相に出力される各出力電圧Vu、Vv、Vwが、昇圧回路10の上流側のコンデンサCu、Cv、Cwに入力される。
コンデンサCu、Cv、Cwの出力側には、それぞれ下流側のダイオードDud、Dvd、Dwdが接続され、これらダイオードDud、Dvd、Dwdの出力側は上流側の合流点ucで接続され、共通の出力電圧(ゲート電圧)Vsとして取り出される。
共通のゲート電圧Vsは、抵抗r11を介して下流側の分岐点dbでU,V,Wの3相に分岐され、抵抗r21、r22、r23を介してU相、V相、W相の半導体リレー5U,5V,5Wのゲート電極にそれぞれ供給される。
また、抵抗r11の下流側と、下流側の分岐点dbとの間に、下流側の1個のコンデンサCdの一端を接続し、該コンデンサCdの他端をモータ4の中性点Vnに接続する。
コンデンサCdと並列に抵抗r31及びツェナーダイオードDzが接続され、ゲート電圧Vsと中性点Vnとの電位差がツェナーダイオードDzの降伏電圧Vz(例えば15V程度)以下に制限される。これにより、半導体リレー5U,5V,5Wの耐久性を向上できる。
モータ4のU,V,W相の下流側端子は、半導体リレー5U,5V,5Wのドレイン電極に接続され、各半導体リレー5U,5V,5Wのソース電極が中性点Vnに接続される。
また、電源電圧VBを、抵抗r41及びU相、V相、W相に分岐する上流側のダイオードDuu、Dvu、Dwuを介して、コンデンサCu、Cv、Cwと下流側のDud、Dvd、Dwdのとの間に供給する電源供給回路が配設され、本第1の実施形態では、電源と抵抗r41との間(または抵抗r41と上流側のダイオードDuu、Dvu、Dwuとの間)にスイッチ回路としてトランジスタTr1が配設される。
該トランジスタTr1は、CPU1から出力されるスイッチ信号をベース端子に入力し、常時は、トランジスタTr1のベース端子にLレベルに維持してトランジスタTr1をオンとすることにより、昇圧回路10に電源電圧を供給して作動させつつモータ4を駆動する。
以下、具体的な作動例を、図4以降のタイムチャートに従って説明する。
図4は、インバータ回路3のU、V、W各相がデューティ50%で駆動されるときの、各部の電位を示す。
インバータ回路3のU、V、W各相の出力電圧Vu,Vv,VwがLレベル(0V)のとき、コンデンサCu、Cv、Cwの入力側の各電圧も同じくLレベル(0V)であり、コンデンサCu、Cv、Cwの出力側の各電圧Vuc,Vvc,Vwcは、以下のようになる。
Vuc=VB−Vf
Vvc=VB−Vf
Vwc=VB−Vf
但し、VfはダイオードDuu、Dvu、Dwu(及びDud、Dvd、Dwd)の立ち上がり電圧(例えば、0.7V程度)
一方、半導体リレー5U,5V,5Wのソース電極に印加される中性点の電圧(ソース電圧)Vnは、インバータ回路3の出力電圧と同じくLレベル(0V)である。
また、半導体リレー5U,5V,5Wのゲート電極に印加される電圧(ゲート電圧)Vsは、前記コンデンサCu,Cv,Cwの出力電圧Vuc,Vvc,Vwcより、ダイオードDud、Dvd、Dwdの立ち上がり電圧Vf分低いので、以下のようになる。
Vs=VB−2Vf
したがって、ゲート電圧Vsとソース電圧Vnとの電位差ΔVsnはVB−2Vfとなるが、この電位差ΔVsn=VB−2VfがツェナーダイオードDzの降伏電圧Vzを超える場合には、電位差ΔVsn=Vzに維持される。ダイオードの立ち上がり電圧は、0.7V程度であるので、電源電圧VBを20V以上とし、降伏電圧Vzを15V程度とした場合には、電位差ΔVsn=Vzに維持されることになる。
次に、インバータ回路3の出力電圧Vu,Vv,VwがHレベル(VB)に上昇すると、コンデンサCu、Cv、Cw出力電圧Vuc,Vvc,Vwcは、チャージポンピングにより、インバータ回路3の出力電圧上昇分VB引き上げられ、以下のようになる。
Vuc=VB−Vf+VB=2VB−Vf
Vvc=VB−Vf+VB=2VB−Vf
Vwc=VB−Vf+VB=2VB−Vf
また、ゲート電圧Vsは、出力電圧Vuc,Vvc,Vwc=2VB−Vfより、下流側のダイオードDud、Dvd、Dwdの立ち上がり電圧Vf分低いので、以下のようになる。
Vs=VB−Vf+VB−Vf=2VB−2Vf
同時に、ソース電圧Vnもインバータ回路3の出力電圧上昇分VB引き上げられる。
したがって、ゲート電圧Vsとソース電圧Vnとの電位差は、以下のようになる。
Vs−V=2VB−2Vf−VB=VB−2Vf
なお、この電位差VB−2VfがツェナーダイオードDzの降伏電圧Vzを超える場合には、ゲート電圧Vsとソース電圧Vnとの電位差ΔVsnは、降伏電圧Vzに維持される。上記のように、電源電圧VBを20V以上とし、降伏電圧Vzを15V程度とした場合には、VB−2VfがVzを超えるので電位差ΔVsn=Vzとなる。
以上のように、インバータ回路3の出力電圧Vu,Vv,VwがHレベル及びLレベルが切り換えられても、各半導体リレー5U,5V,5Wのゲート電圧Vs、ソース電圧Vn間は、ツェナーダイオードDzで規定される降伏電圧Vz(またはVB−2Vf)となる。
半導体リレー5U,5V,5Wは、電位差ΔVsnがリレー駆動電圧V0(例えば10V程度)以上あれば、オンとなるので、該リレー駆動電圧V0以上の電位差ΔVsn(=VzまたはVB−2Vf)が確保され、各半導体リレー5U,5V,5Wはオンされ続け、モータ4の駆動を継続できる。
次に、ある1つの相、例えばU相がデューティ100%で駆動され、他の相は、100%より小さいデューティ、例えば50%で駆動する場合について図5を参照して説明する。かかる運転状況は、パワーステアリング装置を例にとると、ステアリングを同一回転方向に大きく回動操作したときや、回転方向を逆転するときなどモータ4の出力トルクが大きく増大したときなどに生じる。
インバータ回路3の出力電圧Vuは、図示のようにHレベル(VB)に維持され、出力電圧Vv,Vwは、Hレベル(VB)とLレベル(0V)を50%ずつ繰り返す。
出力電圧Vv,VwがLレベル(0V)であるときは、中性点の電圧(ソース電圧)Vnは、モータ4のU相から電圧VBが印加されつつV相とW相はLレベル(0V)であるため、1/3・VBの電圧となる。
一方、ゲート電圧Vsは、以下のように求められる。
U,V,W各相が50%のデューティで駆動される場合と同様、電源供給ラインから印加されるコンデンサCu、Cv、Cwの出力側の各電圧Vuc,Vvc,Vwc(=VB−Vf)よりダイオードDud、Dvd、Dwdの立ち上がり電圧Vf分低いので、ゲート電圧Vs=VB−Vf−Vf=VB−2Vfとなる。
したがって、ゲート電圧Vsとソース電圧Vnとの電位差ΔVsnは、
ΔVsn=VB−2Vf−1/3・VB=2/3・VB−2Vfと求められるが、この値がツェナーダイオードDzの降伏電圧Vzを超える場合は、ΔVsn=Vzに維持される。図5では、ΔVsn=Vz、Vs=1/3VB+Vzの場合を示す。
即ち、電位差ΔVsnは、2/3・VB−2Vfと、Vzとの小さい方になるが、いずれもリレー駆動電圧V0以上に確保され各半導体リレー5U,5V,5Wはオンとなる。
また、出力電圧Vv,VwがHレベル(VB)のときは、中性点の電圧(ソース電圧)Vnは、VBまで増大し、ゲート電圧Vsは、Vs=VB−Vf+VB−Vf=2VB−2Vfとなる。
したがって、ゲート電圧Vsとソース電圧Vnとの電位差ΔVsn=2VB−2Vf−VB=VB−2Vfとなるが、この電位差がツェナーダイオードDzの降伏電圧Vzを超える場合には、該降伏電圧Vzに維持される。
このように、1つの相がデューティ100%で駆動され、他の相は、100%より小さいデューティで駆動される場合も、ゲート電圧Vsとソース電圧Vnとの電位差ΔVsnがリレー駆動電圧V0以上に確保され、各半導体リレー5U,5V,5Wはオンに維持されて、モータ4の駆動を継続できる。
ここで、特許文献1において、同様に、1つの相例えばU相がデューティ100%若しくは100%に近いデューティで駆動され、他のV,W相は、それより小さいデューティで駆動されるような運転状況では、昇圧回路が半導体リレー毎に独立して設けられるため、モータの駆動が困難となる。
すなわち、U相では、デューティ100%で駆動される場合はLレベル期間がないため上流側コンデンサの上下流間の電位差が小さい値に保持されたままチャージポンピングがなされない。また、U相が100%に近くLレベル期間が短いデューティで駆動される場合も、上流側コンデンサの充放電量が小さくチャージポンピングが十分になされない。
このため、U相では、ゲート電圧Vsをソース電圧Vnに対して十分に昇圧させることができず、U相の半導体リレーがオンされずにモータが停止してしまうことがある。
これに対し、上記実施形態では、例えばU相がデューティ100%で駆動される場合、上流側コンデンサCuは、入力電圧VuがVBに維持されるので、出力電圧VucもVB−Vfに維持されるが、他のV相およびW相で、入力電圧Vv,VwがLレベル(0V)のときに放電し、Hレベルのときに充電するポンプチャージングにより、出力電圧Vcv,Vcwが昇圧され、該昇圧された出力電圧がU,V,W各相共通に供給されるので、U相の半導体リレー5uもオン状態に維持されモータ4の駆動を継続できるのである。
図6は、インバータ回路2の各相のデューティが相違する場合の、各部の電位を示す。
この場合も、ゲート電圧Vsとソース電圧Vnとの電位差ΔVsnは、リレー駆動電圧V0以上の値を確保することができ、各半導体リレー5U,5V,5Wはオンに維持されて、モータ4の駆動を継続できる。
一方、パワーステアリング装置等を手動で動かす必要を生じた場合など、CPU1からモータの遮断指令に応じたHレベルのスイッチ信号が出力された場合には、トランジスタTr1がオフとなって、昇圧回路10への電源電圧VBの供給が断たれることにより、コンデンサCu,Cv,Cwから電荷が放出されて、各半導体リレー5U,5V,5Wのゲート電圧、ソース電圧間の、電位差Vsnが減少し、各半導体リレー5U,5V,5Wがオフとなってモータ4の駆動が停止される。
ここで、1つのスイッチ回路の遮断動作によって複数の半導体リレー5U,5V,5Wの作動が停止されるので、複数の半導体リレーの停止時間のバラツキが抑制され、遮断してから各相の半導体リレー5U,5V,5Wが全て停止するまでの間に意図しないモータの作動を抑制でき、ステアリング性(運転性)の悪化を抑制できる。
図7は、モータの駆動制御装置の、詳細な第2実施形態の回路図を示す。
第2実施形態では、第1実施形態と同様の回路において、昇圧回路の昇圧機能を停止してモータを遮断させるスイッチ回路としてのトランジスタTr2のコレクタ端子を、抵抗r11と抵抗r12との間に接続し、エミッタ端子を接地し、ベース端子にCPU1かえあのスイッチ信号を入力する構成としたものである。
常時は、トランジスタTr2のベース端子にLレベルに維持してトランジスタTr2をオフとすることにより、昇圧回路10を作動させつつモータ4を駆動する。作動については、第1実施形態の通常のモータ駆動時(トランジスタTr1のオン時)と同様である。
また、CPU1からモータの遮断指令に応じたHレベルのスイッチ信号が出力された場合には、トランジスタTr1がオンとなって、下流側のコンデンサCdに充電されていた電荷が放電される。これにより、各半導体リレー5U,5V,5Wのゲート電圧、ソース電圧間の、電位差Vsnが減少し、各半導体リレー5U,5V,5Wがオフとなってモータ4の駆動が停止される。
また、第2実施形態においても、パワーステアリング装置に適用した場合、1つのスイッチ回路の遮断動作によって複数の半導体リレー5U,5V,5Wの作動が停止されるので、複数の半導体リレーの停止時間のバラツキが抑制され、遮断してから各相の半導体リレー5U,5V,5Wが全て停止するまでの間に意図しないモータの作動を抑制でき、ステアリング性(運転性)の悪化を抑制できる。
また、第2実施形態では、スイッチ回路11による遮断位置を各半導体リレー5U,5V,5Wに、より近づけているため、半導体リレーの停止遅れ時間を短縮することができる。
また、以上の実施形態では、下流側のチャージ用コンデンサCdを、モータ4の電圧が変動する中性点に接続したことにより、インバータ回路3から供給される電荷が抑えられ、コンデンサCdへのチャージ時間を短縮することができ、半導体リレー5の作動開始遅れを抑制することができる。
但し、半導体リレー5U,5V,5Wを、インバータ回路3のU,V,W相の出力端子とモータ4のU,V,W相の入力端子との間に接続した構成としてもよい。
さらに、以上の実施形態では、U,V,Wの3相の出力ラインを昇圧回路に接続し、3相の半導体リレーを制御する回路を示し、モータの遮断時には3相の半導体リレーをオフとするようにしたため高応答で遮断できる。
但し、U,V,Wの3相のうち2相の出力ラインを昇圧回路に接続し、対応する2相の半導体リレーを制御する回路としてもよく、2つの相を遮断してモータを遮断することができ、構成が簡易化され低コストに実施できる。
また、本発明は、3相以上のn相のモータに適用可能であり、(n−1)個の相を遮断してモータを遮断することができる。
1 CPU
3 インバータ回路
4 モータ
5,5U,5V,5W 半導体リレー
10 昇圧回路
11 スイッチ回路
Cu,Cv,Cw 上流側のコンデンサ
Cd 下流側のコンデンサ
Duu,Dvu,Dwu 上流側のダイオード
Dud,Dvd,Dwd 下流側のダイオード
Dz ツェナーダイオード
Vn ソース電圧
Vs ゲート電圧

Claims (3)

  1. n(≧3)相のインバータ回路の各相の出力ラインを、n相のモータの各相に接続し、前記インバータ回路の出力信号に基づいてモータを駆動制御するモータ駆動制御装置であって、
    前記インバータ回路の(n−1)相以上の出力ラインと接続した昇圧回路と、
    前記インバータ回路の(n−1)相以上の出力ラインと接続されたモータの各相に接続した半導体リレーと、を配設し、
    前記モータの駆動時に前記昇圧回路で昇圧された出力を、前記各半導体リレーに駆動信号として分配すると共に、
    前記昇圧回路の作動を停止してモータの駆動を遮断するスイッチ回路を配設したことを特徴とするモータ駆動制御装置。
  2. 前記昇圧回路は、前記昇圧回路への電源供給ラインと前記インバータ回路の出力ラインとの接続点より、前記電源供給ライン上流側に接続されたダイオードと、該ダイオードの出力端に一端を接続した電荷チャージ用のコンデンサとを含んで構成され、前記コンデンサの他端を、前記モータの各相が接続される中性点に接続したことを特徴とする請求項1に記載のモータ駆動制御装置。
  3. 前記スイッチ回路を、前記昇圧回路への電源供給ラインに介装し、または、前記コンデンサにチャージされた電荷を放出させるラインに介装したことを特徴とする請求項2に記載のモータ駆動制御装置。
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