JP2017017860A - 電力変換装置およびモータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】主回路配線に電流が流れた際に発生する磁束が、磁気センサの外乱となっても、正確な回転子位置情報を得る。【解決手段】所望のトルク指令値に基づいて、交流モータ２００に電流を出力する電力変換装置３００の動作を制御するモータ駆動装置１０であって、電力変換装置を構成するスイッチング素子に電気的に接続され、直流電流４００又は交流電流を伝達する主回路配線と、交流モータの回転子２０１に取り付けられたセンサ磁石２０２の磁束変化を検出する磁気センサ３０２と、磁気センサによって検出された回転子の位置情報に基づいて、電力変換装置からモータに出力する電流指令値を演算する制御部３１０と、を備え、制御部は、主回路配線に流れる電流によって発生する磁束成分を検出または演算し、磁束誤差補正部で補正することを特徴とする、モータ駆動装置。【選択図】図１

Description

本発明はモータ駆動装置に関し、特にモータの回転子に取り付けられたセンサ磁石と、センサ磁石に近接設置された磁気センサを用いてモータ回転子の位置を検出する電力変換装置であって、電力変換装置またはモータの主回路配線が磁気センサ近傍に配置される実装構造における、回転子の位置検出手法に関するものである。

近年、自動車や産業向けのモータ駆動装置では、モータと電力変換装置を接続するハーネスの削除や小型化を目的に、モータおよび電力変換装置を共通筐体に内蔵する、または筐体を直接接続する、機電一体化が進んできている。この機電一体実装構造では、モータと電力変換装置間の電気配線の接点数を削減するために、非接触センサなどが採用され始めている。モータの回転子位置を検出するための非接触位置センサとしては、従来のレゾルバに替わりホール素子やＭＲ素子などの、磁気センサが多く用いられるようになってきている。

磁気センサを用いたシステムとして、例えば特許文献１がある。特許文献１では、磁界方向に感応する磁気センサと、前記磁気センサからの出力が入力される検出部と、を備えた回転角計測装置であって、前記回転角計測装置は、磁束発生体を備えた回転体とともに用いられるものであり、前記磁気センサの出力は、前記磁界方向に対応した原角度信号セットであり、前記検出部は、前記回転体の回転速度を引数とする補正関数が出力する補正値を用いて前記磁気センサの近傍に配置された非磁性の導体の影響を補正した補正角度を出力することを特徴とする回転角計測装置とある。

また近年、機電一体化を実現するための電力変換装置の高密度実装の結果として、前述した磁気センサ近傍に、電源からモータの間を電気的に接続し、モータを駆動するための電流を流すための主回路配線が配置される。

高密度化されたモータ駆動装置の一例として、特許文献２がある。特許文献２では、複数の巻線が巻回されるステータと、前記ステータの径方向内側に回転可能に設けられるロータと、前記ロータと同軸に設けられ、前記ロータとともに回転するシャフトと、前記シャフトの一端に設けられ、前記ロータおよび前記シャフトとともに回転するマグネットと、前記マグネットと対向するよう前記シャフトの軸方向に設けられ、前記マグネットが発生する磁気を検出することで前記ロータの回転角度を検出する磁気センサと、前記磁気センサで検出した前記ロータの回転角度に基づき前記巻線に供給する電力を制御する制御装置と、前記シャフトの軸を中心とする仮想円に交わるとともに前記軸に対し平行に延びて前記制御装置と前記複数の巻線のそれぞれとを接続するよう設けられ、前記巻線に供給される電流が流れる第１の導線および第２の導線と、を備え、前記第１の導線および前記第２の導線のそれぞれに流れる電流は、任意の時点における大きさおよび向きが同じであり、前記仮想円と前記第１の導線および前記第２の導線とのそれぞれの交点をｐ１およびｐ２とし、前記仮想円の弧ｐ１ｐ２の中心角をα（°）とすると、前記第１の導線および前記第２の導線は、α＝１８０の関係を満たすようにして配置されていることを特徴とするモータとある。

ここで、特許文献１に記載の内容は、位置検出用磁石が高速に回転することで、磁石近傍に配置された金属に発生する渦電流が磁気センサへ与える影響を軽減する手法である。しかし、位置センサ近傍に配置される非磁性体として、例えば銅などから成る主回路配線が配置され、主回路配線に電流が流れた際にビオ・サバールの法則に基づいて発生する磁束が、磁気センサに与える影響を軽減することはできない。

一方、特許文献２に記載の内容は、２つの３相インバータに接続する６本のモータ配線において、６本のモータ配線が接続するモータ巻き線は同一筐体内に配置される。また、回転子の位置を磁気センサで検出するシステムで、磁気センサを中心に同じ相の２本のモータ配線を１８０°対向させる構造とする。このように配置すると、一方のモータ配線に電流が流れた際に発生する磁束ベクトルと、他方のモータ配線に同じ大きさ・向きの電流が流れた際に発生する磁束ベクトルは、磁気センサの検出点で互いに打ち消しあい、主回路配線に電流が流れた際に発生する磁束の影響を軽減することが可能となる。しかし、特許文献２の形態では、一方のインバータが故障し他方のインバータのみで動作を継続する場合では、他方のモータ配線から発生する磁束を磁気センサの検出点で打ち消しあうことができなくなるため、位置検出精度が悪化しモータ制御が不安定となる課題がある。

特開２０１３−１１５３８号公報 特開２０１２−０３９７３７号公報

モータの回転子に取り付けられたセンサ磁石と、モータ駆動装置内に配置された磁気センサで回転子の位置情報を検出し、高密度実装を実現するために磁気センサ近傍に主回路配線が配置されたモータ駆動装置において、主回路配線に電流が流れた際に発生する磁束が磁気センサの外乱となり、正確な回転子位置情報を得ることが困難となる。

本発明に係る電力変換装置は、所望のトルク指令値に基づいて、モータに電流を出力する電力変換装置の動作を制御するモータ駆動装置であって、前記電力変換装置を構成するスイッチング素子に電気的に接続され、直流電流又は交流電流を伝達する主回路配線と、前記モータの回転子に取り付けられたセンサ磁石の磁束変化を検出する磁気センサと、前記磁気センサによって検出された前記回転子の位置情報に基づいて、前記電力変換装置から前記モータに出力する電流指令値を演算する制御部と、を備え、前記制御部は、前記主回路配線に流れる電流によって発生する磁束成分を検出または演算する、磁束誤差補正部を有することを特徴とする。

本発明によれば、磁気センサ近傍に配置された主回路配線に電流が流れた際に発生する外乱磁束が、磁気センサの位置検出に与える影響を軽減できるため、モータ駆動装置の高密度実装を実現する。また、モータの回転子位置を高精度に検出することを実現し、良好なモータ制御を実現する。さらに、２つの３相ブリッジ回路で１つのモータを駆動するシステムに本発明を適用することで、一方の３相ブリッジ回路が故障した場合でも、他方の３相ブリッジ回路の動作を継続することで、モータを継続して良好に駆動することができる。

実施例１におけるモータ駆動装置の回路図である。 従来構造における磁気センサ周辺の構造図の一例である。 実施例１における、磁気センサ部の磁束ベクトルに関する図である。 実施例１における、磁気センサ周辺の構造図の一例である。 実施例２における制御部の構成図である。 実施例４における、電圧ベクトルの説明図である。 実施例４における、モータ電流の一例である。 実施例４における、電流と外乱磁束の一例である。 実施例４における、３相ブリッジ回路と電流の向きを示すものである。 実施例５における、センサ磁石磁束ベクトルと外乱磁束ベクトルである。 実施例５における、センサ磁石磁束ベクトルと外乱磁束ベクトルである。 実施例５における、正確なセンサ磁石位置と、磁束センサから出力される位置情報から外乱磁束による影響を、３６０度に対して減算した結果である。 実施例６におけるモータ駆動装置の回路図である。 実施例７における電動パワーステアリング装置のシステム図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る電力変換装置の実施の形態について説明する。なお、各図において同一要素については同一の符号を記し、重複する説明は省略する。

図１を用いて、第１の実施形態に係る電力変換装置およびモータ駆動装置について説明をする。図１は、第１の実施例に係るモータ駆動装置１０の全体構成を示す回路図である。

直流電源４００の電力を直流から交流へ変換する電力変換装置３００は、電気エネルギーを機械エネルギーへ変換し駆動するモータ２００に接続される。ここでは、電力変換装置３００とモータ２００とで、駆動装置１０を構成している。モータ２００は、例えば三相モータで構成され、回転子２０１の位置を検出するためのセンサ磁石２０２が、回転子２０１の先端に取り付けられている。

電力変換装置３００には、電力を直流から３相交流へ変換するための３相ブリッジ回路３０１を構成する半導体素子が６個備えられている。半導体素子としては、ＭＯＳＦＥＴ（ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのパワー半導体素子がある。

なお図示していないが、３相ブリッジ回路３０１より直流電源４００側の正負極配線間には、電源電圧平滑化のための平滑コンデンサが一つ以上備えられている。平滑コンデンサとしては、十分な容量を有している電解コンデンサや導電性高分子ハイブリッド電解コンデンサなどが用いられる。また、３相ブリッジ回路３０１と平滑コンデンサの間の正極または負極配線に、モータの相電流を検出するための電流検出器が設けられる。電流検出器としては、損失の小さな低抵抗器がよく用いられているが、カレントトランスなど他の電流検出器を用いても構わない。さらに、平滑コンデンサより直流電源４００側には、ノイズ対策としてノーマルモードチョークコイルやコンデンサなどのフィルタ部品が配置されている。

次に、電力変換装置の制御部に関し説明する。電力変換装置３００は、制御部３１０を有している。制御部３１０は電流制御部３１２を有しており、モータ２００の動作を所望の値に制御するための電流指令値がモータ駆動装置１０から与えられる。また制御部３１０は、電力変換装置３００内に備えられる電流検出器から得る電圧値をフィルタリングおよび増幅するための電流検出部３１１を有しており、電流検出部３１１は電流制御部３１２にモータ２００の電流情報を出力する。さらに、モータ駆動装置１０に実装された磁気センサ３０２は、回転子２０１に取り付けられたセンサ磁石２０２の磁束変化を検出し、電流制御部３１２に回転子位置情報を出力する。磁気センサ３０２としては、ホールＩＣやＧＭＲ(Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｅｆｆｅｃｔ)センサやＴＭＲ(Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｅｆｆｅｃｔ)センサなどが考えられる。また磁気センサ３０２は、電流検出部３１１やＰＷＭ生成部３１３が実装される、即ちＯＰアンプ、マイコン、ドライバＩＣや電源ＩＣなどの部品が実装されるプリント基板に搭載されていても、磁気センサ３０２用の専用基板に実装され、電力変換装置３００またはモータ２００のいずれかに取り付けられていても良い。

電流制御部３１２は、前述した電流検出値と回転子位置検出値および電流指令値を元に、３相ブリッジ回路３０１へ与える電圧指令値Ｖ＊を生成し、ＰＷＭ生成部３１３へ出力する。ＰＷＭ生成部３１３は、電圧指令値Ｖ＊に基づいて、３相ブリッジ回路３０１のそれぞれの半導体素子へゲート電圧指令を出力する。その結果、電力変換装置３００はモータ２００へ３相交流電流を供給し、モータは電気エネルギーを機械エネルギーに変換することで仕事をする。

また、センサ磁石２０２の着磁量にばらつきが生じることや、センサ磁石２０２または磁気センサ３０２が取り付けの際に位置ずれなどを発生する恐れがあるため、制御部３１０は設計値に対する初期ずれを補正するための、初期位置補正部３１５を有している。初期位置補正部３１５で得られた誤差量は位置補正部３１６に与えられ、モータ駆動装置１０に個体差があっても回転子２０１の正確な位置情報を得ることができる。

次に、センサ磁石２０２を用いて回転子２０１の位置情報を検出する手法を、図２および図３を用いて説明する。図２に示すように、モータ２００の回転子２０１の先端には、回転子２０１の位置を検出するためのセンサ磁石２０２が取り付けられている。ここでセンサ磁石２０２は、２極に着磁されていることとする。一方、基板に実装された磁気センサ３０２は、センサ磁石２０２に対向する位置に、一定の距離だけ離し配置される。

２極に着磁されたセンサ磁石２０２のＮ極からＳ極の方向には、着磁量に応じた磁石磁束ベクトル２１０が出ており、磁石磁束ベクトル２１０は磁気センサ３０２を貫通する。ここで、磁石磁束ベクトルをＢｓと定義し、磁気センサ３０２の検出位置において面内(Ｘ、Ｙ)方向に分解した磁束ベクトルを、それぞれＢｘ＿ｓ、Ｂｙ＿ｓとする。

磁石磁束ベクトルＢｓは、磁気センサ３０２の検出位置のＸＹ平面において、回転子２０１が回転すると共に０度から３６０度に変化する。この磁石磁束ベクトルＢｓのベクトル図に関し、第一象限のみを取り出したものを図３に示す。変化する磁石磁束ベクトルＢｓに対し、Ｘ方向の磁束Ｂｘ＿ｓとＹ方向の磁束量Ｂｙ＿ｓをそれぞれ検知することができると、式(１)より、

回転子２０１の角度θｓを検出することが可能となる。

ホール素子やＭＲ素子では、センサ磁石２０２から発生する磁束Ｂｘ＿ｓ、Ｂｙ＿ｓに応じた、それぞれの電圧値を出力することが可能であるため、制御部３００内では出力された電圧値を元に回転子２０１の角度θｓを演算している。

次に図４に、機電一体化に伴う高密度実装が行われた場合の、モータ駆動装置１０の内部構造を示す。高密度実装を実現するために、磁気センサ３０２と主回路配線５０１の距離が近接している。ここで、主回路配線とは、直流電源４００からモータ２００の間に流れる、モータ２００を駆動するためのエネルギーが通る全ての配線を指している。具体的には、電力変換装置３００内に備えられるバスバなどの電気配線や、基板上に実装される３次元配線、およびモータ２００に接続される３相配線などが挙げられる。

主回路配線５０１に電流が流れると、ビオ・サバールの法則に基づく磁束ベクトルＢｄが、式(２)に従って発生する。

図中では、主回路電流Ｉｄが右方向に流れた結果、主回路配線５０１から発生する磁束ベクトルＢｄの向きは、紙面の手前から奥の方、すなわちＹ方向となる。ここで、主回路配線５０１から発生する磁束ベクトルを、磁気センサの検出位置で面内（ＸＹ）方向に分解した磁束をそれぞれ、Ｂｘ＿ｄ、Ｂｙ＿ｄと定義する。

次に、改めて図３のベクトル図を参照する。主回路配線５０１が磁気センサ３０２近傍に配置される場合、磁気センサ３０２で検出される回転子２０１の位置、即ち磁束ベクトルは、センサ磁石２０２が発生する磁石磁束ベクトルＢｓに、主回路配線５０１に電流が流れたことで発生する外乱磁束ベクトルＢｄが加算された値となる。その結果、磁気センサ３０２が出力した値を元に演算される回転子位置をθｃと定義すると、電力変換装置３００は式(３)の位置情報を得ることとなる。

なおここで、磁石磁束ベクトルと外乱磁束ベクトルの和をＢｃと定義する。

このように、主回路配線５０１が磁気センサ３０２近傍に配置されるモータ駆動装置１０では、磁気センサ３０２は外乱磁束ベクトルＢｄの影響で回転子２０１の正確な位置情報を得ることができず、その結果モータ２００を安定して制御することが困難となる。

そこで本実施例における制御部３１０は、主回路配線５０１から発生する外乱磁束ベクトルＢｄを演算する磁束誤差算出部３１４と、磁気センサ３０２から出力された位置情報θｃまたはＢｃから前述した外乱磁束ベクトルＢｄの影響を補正する、位置補正部３１６を有している。

磁束誤差算出部３１４には、電流検出部３１１より得られた主回路配線５０１の電流の大きさと、ＰＷＭ生成部３１３より得ることができる電流の向きと、磁気センサ３０２から出力される回転子２０１の位置情報が与えられる。磁束誤差算出部３１４は、与えられた電流の大きさ・電流の向き・センサ磁石位置に関する情報の全て、またはいずれかの値を元に、主回路配線５０１から発生する外乱磁束ベクトルＢｄまたは位置誤差θｄを演算し、位置補正部３１６は磁気センサ３０２の出力から外乱磁束の影響を取り除くことで、回転子２０１の正確な位置情報を電流制御部３１２へ出力する。

以上のような構成とすることで、以下の効果が得られる。
(1)主回路配線から発生する外乱磁束ベクトルが磁気センサへ与える影響を制御部で補正することで、電力変換装置は誤差の無い位置情報を得ることができ、その結果、高性能で且つ安定したモータ制御を実現するモータ駆動装置を実現できる。
(2)主回路配線から発生する外乱磁束が磁気センサを貫通することを抑制するための、例えば磁性体で構成された遮蔽板などの追加部品を不要とする。
(3)主回路配線を磁気センサ近傍に実装することを可能とし、モータ駆動装置の高密度実装と更なる小型化を実現する。

なお、本実施の形態では、磁気センサはセンサ磁石に対向する位置に備えられているが、回転子の位置をセンサ磁石と磁気センサで検出することが可能であるならば、例えばセンサ磁石の側面方向で一定の距離を置いて配置されていても構わない。

また、本実施の形態は、電力変換装置に予め備えられた磁束誤差算出部および位置補正部を用いて、主回路配線から発生する外乱磁束ベクトルの影響を補正する。そのため、例えば主回路配線と磁気センサの間に磁性体の異物などが介入すると、電力変換装置は不要な位置補正を実施することとなり、ＰＷＭ指令値が変化することや、不安定なモータ制御となる恐れがある。そのため、異物の混入には極めて注意が必要である。

以下の実施例では、実施例１に関し、磁気センサが磁束ベクトルに比例したそれぞれの値を出力する場合の、特に磁束誤差算出部の動作に関し説明する。

図５に、本実施の形態における補正方式の流れを示す。モータ駆動装置１０はその開発において、電力変換装置３００の主回路配線５０１およびその他部品のレイアウトを決定する。モータ駆動装置１０のレイアウトが決まると、全ての主回路配線と磁気センサの位置関係がそれぞれ一意に決定される。そこで、主回路配線に電流が流れた際に発生する外乱磁束ベクトルを、式２や市販の磁場解析ツールを用いることで算出することが可能となる。磁場解析ツールとしては、例えば(株)ＪＳＯＬ殿のＪＭＡＧなどが挙げられる。

電流と磁束の関係を算出することで、磁束誤差算出部３１４はそれぞれの主回路配線５０１に電流が流れた際に発生する外乱磁束ベクトルＢｄの情報を、主回路配線外乱磁束として内部に備える。その結果、モータ駆動装置１０が動作している場合には、電流検出部３１１とＰＷＭ生成部３１３から与えられる電流の向きと大きさから、磁束誤差算出部３１４はそれぞれの主回路配線５０１から発生する外乱磁束ベクトルＢｄ＿ｉを推定できる。ここで、ｉは主回路配線の番号を示している。そして、磁束誤差算出部３１４は全ての外乱磁束ベクトルＢｄ＿ｉを足し合わせ、外乱磁束ベクトルＢｘ＿ｄ、Ｂｙ＿ｄを位置補正部３１６へ出力する。位置補正部３１６は、磁気センサ３０２から出力される位置情報Ｂｘ＿ｃ、Ｂｙ＿ｃから、外乱磁束Ｂｘ＿ｄ、Ｂｙ＿ｄの影響を取り除き、即ちＢｘ＿ｓ，Ｂｙ＿ｓを算出することで、回転子２０１の位置を演算することが可能となる。

また、外乱磁束ベクトルＢｄは流れた電流の大きさに対し線形であるため、磁束誤差算出部３１４は任意の電流値に対する外乱磁束ベクトルの値を有していれば、内挿または外挿で全ての電流値に対する外乱磁束ベクトルＢｄを推定可能である。

以上のような構成とすることで、電力変換装置は、主回路配線から発生する外乱磁束ベクトルの影響を磁気センサの出力から補正することを可能とし、高精度で且つ安定したモータ制御を実現する。なお、本実施例では理解を容易にするため磁束ベクトルを用いて説明してきたが、実際の磁気センサは磁束ベクトルを電圧値に変換して出力するものが多いため、磁束誤差算出部３１４は主回路配線外乱磁束と等価な電圧値を備えていても良い。

さらに、本実施例で述べた補正方法は、例えば形状データより得られる主回路配線と磁気センサの距離rを磁束誤差算出部に記憶させておくことで、モータ駆動装置の動作中に得られる電流値の情報と合わせて、式２を直接解くこともできる。この場合、図５に示すように、磁束誤差算出部３１４は主回路配線位置情報を有することとなる。その結果、リアルタイムに外乱磁束ベクトルの補正をすることも可能である。

また、主回路配線に流れる電流が高周波で、且つ主回路配線５０１近傍に導電体が配置されている場合には、導電対に発生する渦電流の影響も予測される。そのような場合には、式４に示すように、直流電流が流れた際の外乱磁束に対し、1/ｆに比例するように補正すれば良い。

さらに、磁束誤差算出部に入力する電流値には、電流検出部から与えられる値だけではなく、電流指令部で演算された電流指令値を用いても良い。

以下の実施例では、実施例２に関し、外乱磁束ベクトルの大きさに閾値を設けた場合の動作に関し説明する。

電力変換装置３００は、外乱磁束ベクトルＢｄに、閾値として最小磁束ベクトルＢｍを定義する。最小磁束ベクトルＢｍは、磁石磁束ベクトルＢｓに対し許容可能な検出誤差で決まる。そのため、モータ駆動装置１０が必要とする回転子２０１の電気角誤差の許容値や、磁気センサの検出精度、実装時の位置精度などから、各システムにおいて任意に決定されるものである。

次に、それぞれの主回路配線５０１に最大電流を通電した際に発生する外乱磁束ベクトルＢｄ＿ｉを、例えば実施例２で示した手法で算出する。すると、最大外乱磁束ベクトルＢｄ＿ｉと最小磁束ベクトルＢｍを比較することができ、最大外乱磁束ベクトルが最小磁束ベクトルに対し十分に無視できる大きさである場合には、その主回路配線５０１を磁束誤差算出部３１４の対象から削除することが可能となる。

さらに、最小磁束ベクトルＢｍを定義することで、主回路配線５０１に流れた電流が、ある一定以上の場合にのみ、磁束誤差算出部３１４を用いて磁気センサ３０２の出力を補正するようにしても、安定したモータ制御を実現することが可能となる。

以上のような構成とすることで、電力変換装置は不要な主回路配線外乱磁束情報を削減でき、さらに位置補正を実施する動作領域も制限することが出来る。その結果、制御部の演算負荷を軽減することが可能となる。

本実施例は、磁束誤差算出部の動作に関し、実施例２とは別の方法に関し説明する。特に、実施例２では電力変換装置内部の構造情報を有していることを前提とした手法であったのに対し、本実施例は電力変換装置の内部構造情報を有していない場合に関するものである。

図６は、３相インバータにおける一般的な電圧ベクトルを示している。電圧ベクトルは、ＭＯＳＦＥＴのオン・オフ状態を表しており、合計８種類の電圧ベクトルがある。また、各電圧ベクトルにおいて考えられる電流の向きは、モータ３相線の電流和は零であることから最大６ケースとなる。即ち、電力変換装置の内部構造情報がなくとも、ある電圧ベクトルで電力変換装置を動作させることで、磁束誤差算出部は主回路配線の外乱磁束ベクトルの影響を推定することが可能となる。以下では、具体的な手法を説明する。

＜ケース１：モータ３相線の外乱磁束が影響する場合＞
図７に、モータ２００の３相線の電流波形を示す。ＰＷＭ制御を実施する電力変換装置３００は、ＰＷＭ生成部３１３がある電圧指令値を出力すると、図７の横軸のある点における電流値が出力されることとなる。なお、図７の縦軸の電流値は規格化された値であり、ピーク電流の大きさは任意である。この場合、電流が０Ａの時の磁気センサ出力に対する、電流を通電した場合の磁気センサ出力の差分delta Ｂo＿ｄは、式５で表される(o = u, v, w)。

ここで、Ｂｘo＿ｄ１、Ｂｙo＿ｄ１は未知数で、それぞれの主回路配線における単位電流当りの外乱磁束の大きさを示しており、Ｘ，Ｙ方向に対してそれぞれ３個となる。そのため、図８に示すように、ある電圧ベクトルにおいて電流の大きさを少なくとも３条件で変化させ、磁気センサ２０２の出力をそれぞれ得ることで、式(２)に示す連立方程式を解くことができる。その結果、内部構造が不明であっても、モータ２００の３相線に電流が流れた際に発生する外乱磁束ベクトルを推定することが可能となる。

なお、連立方程式を解く手法としては、電圧ベクトルを固定し電流の大きさを変化させるだけではなく、例えば電圧ベクトルを変化させてもよく、いずれの条件においても磁気センサ３０２のそれぞれの出力を得ればよい。また、実際に外乱磁束ベクトルの推定をする方法としては、外部からモータ２００の回転子２０１を強制的にロックさせても、ｑ軸指令を零としｄ軸指令のみでモータ２００を駆動させても、モータ２００が回転状態であっても構わない。

＜ケース２：直流母線の外乱磁束も影響する場合＞
主回路配線は正極と負極の２本となるため、直流母線に電流が通電した際の外乱磁束ベクトルは、４つの未知数で決まる。また、直流母線に流れる電流値は、電流検出器で検出するモータ２００の３相電流を一定以上の時定数でフィルタリングした値と等しく、これまでに説明してきた電流検出部を用いて直流母線の電流値を検出することができる。そのため、ケース１の場合と同様の手法を用いることができ、直流母線の影響も考慮する場合には、電流の大きさまたは電圧ベクトルの数を、ケース１に対し必要なだけ増加させることで、連立方程式を解くことが可能となる。

＜ケース３：スイッチング電流の外乱磁束も影響する場合＞
図９に、３相ブリッジ回路を示す。ＭＯＳＦＥＴおよびＭＯＳＦＥＴを接続する配線部に流れる電流の向きは、電圧ベクトルとそれ以前に流れていたモータ電流の向きで決定される。そのため、図９に示すスイッチング電流が発生する外乱磁束の影響まで考慮しなければいけない場合には、ケース２と比較しさらに多くの電圧ベクトルにおける磁気センサ３０２の出力を取得し、ケース２にスイッチング電流に関する方程式を追加した連立方程式を解くことが必要となる。また、平滑コンデンサから流出入する電流は、モータ電流値から直流母線の電流値を差し引いた値に等しいため、平滑コンデンサ部の影響も加味することが可能である。

なお、スイッチング電流は高周波で、またスイッチング電流が流れる配線の近傍には低インダクタンスを実現するために導電体が近接されていることが多い。そのため、スイッチング電流が外乱磁束となる可能性は低く、前述したケース１，２で多くの場合は補正が可能となると考えられる。

以上のように、ケース１から３のいずれかにおいて作成された外乱磁束の情報を、磁束誤差補正部３１４は有する。次に、磁束誤差算出部３１４は電流検出部３１１から得られる電流の大きさとＰＷＭ生成部３１３から得られる電流の向きの情報を用い、外乱磁束ベクトルの影響を演算し、結果を出力する。そして、位置補正部３１６は磁気センサ３０２が出力する磁束ベクトル情報と、磁束誤差補正部３１４が出力する外乱磁束の情報から、回転子２０１の正確な位置情報を演算する。

その結果、電力変換装置３００は安定したモータ制御を実現する。なお、本実施例においても、実施例３に示したように、モータ制御に影響を与えない範囲の外乱磁束の大きさであれば、補正を実施しない電圧ベクトルや電流の大きさが備えられても良い。

以上のような構成とすることで、モータ駆動装置の内部情報が分からない状況においても、各主回路配線の外乱磁束の影響を取り除くことができ、高性能で安定したモータ制御を実現できる。

これまでの実施例では、磁気センサおよび外乱磁束の面内方向に関する大きさが分かる状況下での、回転子位置を補正する方式を説明してきた。しかし、例えばＩＣが内蔵された磁気センサでは、ＩＣ内部で磁束ベクトルに関する演算が実施され、センサ磁石の位置情報θのみが出力されるものもある。この場合、これまでの実施例で述べてきたように、外乱磁束ベクトルのみを用いて位置情報θを補正することは難しい。そこで本実施例では、磁気センサからの出力が位置情報θである場合の、磁束誤差算出部の動作に関し説明する。

図１０に、センサ磁石の磁束ベクトルがＸ方向、図１１にはセンサ磁石の磁束ベクトルがＹ方向で、それぞれのケースにおいて、主回路配線に電流が流れた際に発生する外乱磁束ベクトルがＸ方向である場合を示す。図１０では、磁石磁束ベクトルと外乱磁束ベクトルの向きが同一であるため、磁気センサから出力される位置情報θは、外乱磁束ベクトルの影響を受けない。一方、図１１では磁石磁束ベクトルと外乱磁束ベクトルの向きが９０度異なるため、磁気センサから出力される位置情報θは、外乱磁束ベクトルの影響を大きく受けていることとなる。このように、磁気センサから位置情報θのみが出力される磁気センサでは、センサ磁石の位置によって外乱磁束ベクトルの影響が大きく変化する。そのため、これまでの実施例のように、主回路配線に流れた電流の向きと大きさの情報のみから、回転子の位置情報を正確に補正することは難しい。

次に、外乱磁束ベクトルがＸ方向に一定であると仮定し、センサ磁石が３６０度回転した場合の回転子位置の真値θｓを横軸にとり、外乱磁束ベクトルの影響を含む磁気センサ出力θｃとθｓの差分、即ち外乱磁束による位置ずれ量θｄを試算した結果を図１２に示す。図１２から明らかなように、磁石磁束ベクトルがＸ軸から離れていくほど外乱磁束の影響は大きくなり、また外乱磁束ベクトルの影響θｄは概ね正弦波となって現れている。ここで、外乱磁束ベクトルの向きが異なる条件であった場合には、正弦波のピークおよびゼロクロスの位相が、外乱磁束ベクトルに応じてずれることとなる。

＜ケース１：モータ３相線の外乱磁束が影響する場合＞
磁束誤差算出部３１４が、図７の各電流位相における磁石位置θｓと外乱磁束ベクトルの影響θｄの関係を有していると、θｄと磁気センサから出力される位置情報θｃを元に、外乱磁束ベクトルの影響を補正することが可能となる。以下では、位置情報の補正方法を説明する。

ある時刻における磁気センサ２０３から出力される位置情報θｃは、

である。一方、電力変換装置３００は、ある時刻における電流検出値からモータ電流の位相を決定し、磁束誤差算出部３１４内に備えている磁石位置θｓと外乱磁束の影響θｄのデータを導出する。そして、同じ電流位相であれば、ピーク電流の大きさに対しθｄは線形に変化するため、主回路配線の電流の大きさから外乱磁束の影響を線形補完し、補正された影響をθｄ'とする。

すると、磁束誤差算出部３１４内部で推定する磁石位置θｓ'に対する外乱磁束の影響θｄ'が任意に決まるため、式７に示す条件を満たすθｓ'がセンサ磁石の真値となる。

ここで、磁束誤差算出部３１４はある電流値におけるθｄの情報を有していれば良い。また、図１２に示すように、θｄは概ね正弦波であるため、磁束誤差算出部３１４はθｄのピーク値およびその位相情報を有していれば、θｓに対し外挿することが可能である。その結果、磁束誤差算出部３１４が有するθｄの情報量を、極めて少なくすることが可能となる。

なお、磁束誤差算出部３１４が有するθｓとθｄに関する情報は、これまでの実施例にて説明してきたいずれかの方法で得ることができる。

＜ケース２：直流母線の外乱磁束が影響する場合＞
直流母線の電流は単一方向で、且つ正極側と負極側の電流の大きさは一致する。そのため、外乱磁束ベクトルの向きは一意に決まる。その結果、磁束誤差算出部３１４は、センサ磁石位置θｓに対し、ある電流値における位置ずれ量θｄ''のみを有すれば良い。即ち、直流母線に対するθｓとθｄ''のデータは１つで良い。

磁束誤差算出部３１４は、電流検出部から与えられるモータ電流値および直流母線電流値を用いて、前述したモータ電流値による位置ずれθｄ'と、直流母線による位置ずれθｄ''の双方を出力することとなる。

以上のように、ケース１から３のいずれかにおいて作成された外乱磁束による位置情報を、磁束誤差補正部３１４は有する。次に、磁束誤差算出部３１４は電流検出部３１１から得られる電流の大きさとＰＷＭ生成部３１３から得られる電流の向きの情報を用い、センサ磁石位置と外乱磁束による位置ずれの大きさを演算し出力する。そして、位置補正部３１６は磁気センサ３０２が出力するセンサ磁石位置情報と、磁束誤差補正部３１４が出力するセンサ磁石位置と外乱磁束による位置ずれの情報から、回転子２０１の正確な位置情報を演算する。

その結果、電力変換装置３００は安定したモータ制御を実現する。なお、本実施例においても、実施例３に示したように、モータ制御に影響を与えない範囲の外乱磁束の大きさであれば、補正を実施しない電圧ベクトルや電流の大きさが備えられても良い。

以上のような構成とすることで、磁気センサが位置情報θのみを出力するようなシステムにおいても、外乱磁束ベクトルの影響を取り除くことを実現できる。

図１３に、実施例６における回路図を示す。本実施例では、二つの電力変換装置で一つ以上のモータを駆動するシステムを考える。本システムは冗長系を実現するものであり、たとえ一方の３相ブリッジ回路が故障した場合でも、他方の３相ブリッジ回路を継続して動作させることでモータを駆動し続けるシステムである。

モータ２００は、一つの金属筐体に２つの３相巻き線が配置された冗長モータであり、回転子はそれぞれの巻き線に共通で、回転子の先端にはセンサ磁石が取り付けられている。電力変換装置３００には、モータ２００の３相巻き線２０１と電気的に接続される３相ブリッジ回路３０１と、３相巻き線２０２と電気的に接続される３相ブリッジ回路３５０が備えられえいる。また、３相ブリッジ回路３０１および３相ブリッジ回路３５０の電流を検出する電流検出部３１１，３５１がそれぞれ備えられている。さらに、３相ブリッジ回路３０１、３５０へ電圧指令を出力するための電流制御部３１２，３５２およびＰＷＭ生成部３１３，３５３もそれぞれ備えられており、モータ駆動装置１０より与えられる電流指令値に対し、それぞれ独立して制御をすることが可能なシステムである。一方、センサ磁石２０２は共通であるため、磁気センサ３０２および磁束誤差算出部３１４、初期位置補正部３１５、位置補正部３１６は電力変換装置内３００に１つである。なお、直流電源４００が二つ図示されているが、これは個別に二つ備えられていても共通であっても構わない。

３相ブリッジ回路３０１および３５０、およびこれらを制御するための制御部３１０は、高密度実装を実現するため共通の１つの筐体に実装される。すると、３相ブリッジ回路３０１および３５０の主回路配線からは外乱磁束ベクトルＢｄが発生し、これまでに述べてきたように外乱磁束ベクトルが磁気センサ３０２に影響を与える。

そこで、磁束誤差算出部３１４は、それぞれの３相ブリッジ回路の電流の大きさおよび向きから、これまでの実施例で説明してきた外乱磁束ベクトルの補正量を抽出し、位置補正部３１６へ出力する。その結果、位置補正部３１６は磁気センサ３０２の出力から外乱磁束の影響を取り除くことができ、電力変換装置３００は安定したモータ制御を実現する。また、本実施例の方式を適用することで、一系統が故障した場合であっても、他方の電流検出値のみから磁束誤差補正部は外乱磁束の影響を補正しようとするため、継続して安定したモータ駆動を実現できる。

図１４に、実施の形態７を示す。実施形態７は、本発明を電動パワーステアリング装置に適用した例である。図１１に示すように、モータ駆動装置１０は、車両のステアリング１の回転軸に取り付けられたギア４を介しトルクを発生させ、ステアリング１による操舵をアシストする。ここで、駆動装置１０はこれまでに説明した制御技術を適用したものである。

以上のように、電動パワーステアリング装置は小型化された電力変換装置を備えることで、搭載スペースの少ない車にも適用でき、様々な車種展開を可能とする。
なお、以上の実施例では、３相モータおよび３相ブリッジ回路に関し説明してきたが、例えば直流モータや交流から直流に電力を変換する電力変換装置などの組み合わせなど、回転体の位置を検出し電流または電圧を制御する電力変換装置であれば、どのような形態でも同様の効果を得ることができる。

１０ ：モータ駆動装置
２００、２０１、２０２ ：モータ
２０１ ：回転子
２０２ ：センサ磁石
２１０ ：センサ磁石からの磁束
３００ ：電力変換装置
３０１、３０２ ：３相ブリッジ回路
３０２ ：磁気センサ
３０３ ：制御部
３１１、３５１ ：電流検出部
３１２、３５２ ：電流制御部
３１３、３５３ ：PWM生成部
３１４ ：磁束誤差算出部
３１５ ：初期位置補正部
３１６ ：位置補正部
４００ ：直流電源
５０１ ：主回路配線
５１０ ：主回路配線からの磁束

Claims (11)

1. 所望のトルク指令値に基づいて、モータに電流を出力する電力変換装置の動作を制御するモータ駆動装置であって、前記電力変換装置を構成するスイッチング素子に電気的に接続され、直流電流又は交流電流を伝達する主回路配線と、前記モータの回転子に取り付けられたセンサ磁石の磁束変化を検出する磁気センサと、前記磁気センサによって検出された前記回転子の位置情報に基づいて、前記電力変換装置から前記モータに出力する電流指令値を演算する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記主回路配線に流れる電流によって発生する磁束成分を検出または演算する、磁束誤差補正部を有することを特徴とする、モータ駆動装置。
2. 請求項１に記載のモータ駆動装置であって、前記磁束誤差補正部は、前記主回路配線に流れる電流の大きさと向きから、前記主回路配線に流れる電流によって発生する磁束成分を演算することを特徴とするモータ駆動装置。
3. 請求項１に記載のモータ駆動装置であって、前記磁束誤差補正部は、前記主回路配線と前記磁気センサの位置情報を有し、前記主回路配線に流れる電流の大きさと向きと前記位置情報から、前記主回路配線に流れる電流によって発生する磁束成分を演算することを特徴とするモータ駆動装置。
4. 請求項１から３に記載のモータ駆動装置であって、前記磁気センサは前記センサ磁石から与えられる磁束ベクトルの、面内方向の大きさを出力することを特徴とするモータ駆動装置。
5. 請求項１に記載のモータ駆動装置であって、前記位置センサは前記センサ磁石から与えられる磁束ベクトルに対する角度情報を出力し、前記磁束誤差補正部は前記主回路配線に流れる電流の大きさと向き、および前記磁気センサの角度情報から、前記主回路配線に流れる電流によって発生する磁束成分を演算することを特徴とするモータ駆動装置。
6. 請求項１から５に記載のモータ駆動装置であって、前記制御部は、前記磁束誤差補正部の検出値または演算値を元に、前記磁気センサの検出値を補正することを特徴とするモータ駆動装置。
7. 請求項１から６に記載のモータ駆動装置であって、前記磁気センサの検出値の補正は、前記モータの電流値がある一定値以上になった場合から実施されることを特徴とするモータ駆動装置。
8. 請求項１から７に記載のモータ駆動装置であって、前記磁気センサの検出値の補正は、前記電力変換装置の電圧ベクトル指令値が、ある条件のときのみに実施されることを特徴とするモータ駆動装置。
9. 所望のトルク指令値に基づいて、交流モータに電流を出力する電力変換装置の動作を制御するモータ駆動装置であって、前記電力変換装置は２つ以上の３相ブリッジ回路を有し、前記各３相ブリッジ回路を構成するスイッチング素子に電気的に接続され、直流電流又は交流電流を伝達する主回路配線と、前記交流モータの回転子に取り付けられたセンサ磁石の磁束変化を検出する磁気センサと、前記磁気センサによって検出された前記回転子の位置情報に基づいて、前記電力変換装置から前記モータに出力する電流指令値を演算する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記一方の３相ブリッジ回路と接続する主回路配線に流れる電流と、前記他方の３相ブリッジ回路と接続する主回路配線に流れる電流によって発生する磁束成分を、それぞれ別に検出または演算する、磁束誤差補正部を有することを特徴とする、モータ駆動装置。
10. 請求項９において、前記双方の３相ブリッジ回路、またはいずれか一方の３相ブリッジ回路のみが動作している場合に、請求項３から８のいずれか特徴を有するモータ駆動装置。
11. 請求項１から９に記載の電力変換装置を有することを特徴とする、電動パワーステアリング装置。

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