JP2017158318A - モータ駆動装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】各通電系統に設けられた電源リレーの制御を特別に行うことなく逆起電圧の回生を可能にし、かつ、電源リレーの部品点数を低減する。
【解決手段】巻線組３１，３２を有するモータ３を駆動するモータ駆動装置７は、巻線組３１，３２と一対一で接続された駆動回路７１ＩＮＶ，７２ＩＮＶを１つずつ含む通電系統７１，７２において、駆動回路７１ＩＮＶ，７２ＩＮＶと電源ＰＷとの間で通電系統毎に１つずつ設けられた半導体スイッチ７１Ｒ，７２Ｒと、電源ＰＷと半導体スイッチ７１Ｒ，７２Ｒとを直列接続する半導体スイッチ７０Ｒと、を備え、半導体スイッチ７１Ｒの寄生ダイオードＤ１が駆動回路７１ＩＮＶから半導体スイッチ７０Ｒへ導通し、半導体スイッチ７２Ｒの寄生ダイオードＤ２が駆動回路７２ＩＮＶから半導体スイッチ７０Ｒへ導通し、半導体スイッチ７０Ｒの寄生ダイオードＤ０が電源ＰＷから半導体スイッチ７１Ｒ，７２Ｒへ導通する。
【選択図】図２

Description

本発明は、モータを駆動するモータ駆動装置に関する。
従来のモータ駆動装置として、１つのモータ内で互いに独立した複数の巻線組を駆動する駆動回路が巻線組毎に設けられ、かかる駆動回路を１つずつ含んで複数の通電系統を構成するものが知られている。
例えば、特許文献１の電動パワーステアリング装置に用いられるモータ駆動装置では、バッテリ電源と各駆動回路との間で通電系統毎に２つの半導体スイッチを直列接続して構成された電源リレーを設けて、通電系統に異常が発生した場合には当該通電系統の電源リレーをオフ状態にして、下流の駆動回路に対する電力供給を遮断するフェールセーフ処理を行っている。
このようなモータ駆動装置に設けられる各通電系統の電源リレーでは、オフ状態であっても、バッテリ電源が極性を逆にしてモータ駆動装置に誤接続された場合に閉回路の形成によって短絡電流が流れないように、２つの半導体スイッチを、それらの寄生ダイオードの順方向が互いに逆向きになるように配置している。
特開２０１３−２１５０４０号公報
ところで、異常が発生した異常通電系統においても、外力等によりモータのロータが回転すると逆起電圧が加わるが、発生した逆起電圧をバッテリ電源へ回生して異常通電系統における回路素子の故障を抑制するためには、異常通電系統の電源リレーのうち寄生ダイオードの順方向がバッテリ電源から駆動回路へ向かう方の半導体スイッチをオン状態にする制御が必要となり、フェールセーフ処理が複雑化するという問題がある。
また、電源リレーが通電系統毎に２つの半導体スイッチで構成されているため、部品点数の削減によりコスト及び実装面積を低減したいという要請がある。
そこで、本発明は以上のような問題点に鑑み、各通電系統に設けられた電源リレーの制御を特別に行うことなく逆起電圧の回生を可能にし、かつ、電源リレーの部品点数を低減したモータ駆動装置を提供することを目的とする。
このため、本発明に係るモータ駆動装置は、複数の巻線組を有するモータを駆動するものであって、複数の巻線組と一対一で接続された複数の駆動回路を１つずつ含む複数の通電系統と、複数の通電系統において、複数の駆動回路と電源との間で通電系統毎に１つずつ設けられた複数の第１半導体スイッチと、電源と複数の第１半導体スイッチとを直列接続する１つの第２半導体スイッチと、を備え、複数の第１半導体スイッチの寄生ダイオードが、それぞれ、複数の駆動回路から第２半導体スイッチへ向かう方向の電流を導通させ、第２半導体スイッチの寄生ダイオードが、電源から第１半導体スイッチへ向かう方向の電流を導通させる。
本発明のモータ駆動装置によれば、各通電系統に設けられた電源リレーの制御を特別に行うことなく逆起電圧の回生が可能となり、かつ、電源リレーの部品点数を低減することができる。
本発明の第１実施形態に係るモータ駆動装置を適用した電動パワーステアリングシステムの一例を示す概略図である。 同モータ駆動装置を示す回路ブロック図である。 同モータ駆動装置に第１半導体スイッチング素子がない場合における電源逆接状態を示す回路図である。 同モータ駆動装置の逆起電圧回生を示す回路ブロック図である。 同モータ駆動装置の第１変形例の内部構成を示す回路ブロック図である。 同モータ駆動装置の第２変形例の内部構成を示す回路ブロック図である。 同モータ駆動装置の第３変形例の内部構成を示す回路ブロック図である。 本発明の第２実施形態に係るモータ駆動装置を示す回路ブロック図である。
以下、添付された図面を参照し、本発明を実施するための実施形態について詳述する。
図１は、本発明の第１実施形態に係るモータ駆動装置を適用した電動パワーステアリングシステムの一例を示す。
車両１に備えられ、運転者のステアリング操作による操舵を補助する電動パワーステアリングシステム２は、操舵補助力の発生源としてのモータ３、操作手段としてのステアリングホイール４、操舵トルクセンサ５、操舵角度センサ６、モータ３を駆動するモータ駆動装置７、及び、モータ３の回転を減速してステアリングシャフト８（ピニオンシャフト）に伝達する減速機９を備えている。操舵トルクセンサ５、操舵角度センサ６及び減速機９は、ステアリングシャフト８を内包するステアリングコラム１０内に設けられる。
ステアリングシャフト８の先端にはピニオンギア１１が設けられていて、このピニオンギア１１が回転すると、ラックギア１２が車両１の進行方向に対して左右に水平移動する。ラックギア１２の両端にはそれぞれ車輪１３の操舵機構１４が設けられており、ラックギア１２が水平移動することで車輪１３の向きが変えられる。
操舵トルクセンサ５は、車両１の運転者がステアリング操作を行うことでステアリングシャフト８に発生する操舵トルクを検出し、検出した操舵トルクの検出信号ＳＴをモータ駆動装置７に出力する。
操舵角度センサ６は、車両１の運転者がステアリング操作を行うことでステアリングホイール４を回転させたときのステアリングシャフト８の回転角度を操舵角度として検出し、検出した操舵角度の検出信号ＳＡをモータ駆動装置７に出力する。
モータ駆動装置７は、操舵トルク信号ＳＴ、操舵角度信号ＳＡ、車速センサ１５が出力する車速の信号ＶＳＰ等の入力信号に基づいて、運転者のステアリング操作による操舵を補助するために必要な操舵補助力を演算する。そして、モータ駆動装置７は、演算された操舵補助力に応じてモータ３を駆動させる。
図２は、モータ３及びモータ駆動装置７の内部構成の一例を示す。
モータ３は、３相ブラシレスモータであり、Ｕ相コイル３１Ｕ、Ｖ相コイル３１Ｖ、Ｗ相コイル３１Ｗの３相巻線からなる巻線組３１、及び、Ｕ相コイル３２Ｕ、Ｖ相コイル３２Ｖ、Ｗ相コイル３２Ｗの３相巻線からなる巻線組３２の互いに独立した２組の巻線組を含むステータ（図示省略）と、このステータの中央部に回転可能に備えられた永久磁石回転子としてのロータと、を有している。巻線組３１及び巻線組３２は、絶縁された状態でステータに巻き回され、磁気回路を共有している。
巻線組３１におけるＵ相コイル３１Ｕ、Ｖ相コイル３１Ｖ、Ｗ相コイル３１Ｗは、それぞれの一端が中性点Ｎ１で電気的に接続されてスター状に結線され、巻線組３２におけるＵ相コイル３２Ｕ、Ｖ相コイル３２Ｖ、Ｗ相コイル３２Ｗは、それぞれの一端が中性点Ｎ２で電気的に接続されてスター状に結線されている。なお、３相のコイルをデルタ状に結線したモータであっても、本実施形態に係るモータ駆動装置７を適用可能である。
モータ駆動装置７は、直流電源ＰＷの高電位側から延びる電源線７０ＰＬより分岐した給電線７１ＢＬにより巻線組３１へ電力を供給するための通電系統７１と、電源線７０ＰＬより分岐した給電線７２ＢＬにより巻線組３２へ電力を供給するための通電系統７２と、の２つの通電系統を有している。通電系統７１には、巻線組３１を駆動する駆動回路７１ＩＮＶが給電線７１ＢＬと接続されて備えられ、通電系統７２には、巻線組３２を駆動する駆動回路７２ＩＮＶが給電線７２ＢＬと接続されて備えられている。
駆動回路７１ＩＮＶでは、給電線７１ＢＬとグランドとの間において、直列接続された上アーム側のスイッチング素子７１Ｕ＋及び下アーム側のスイッチング素子７１Ｕ−と、直列接続された上アーム側のスイッチング素子７１Ｖ＋及び下アーム側のスイッチング素子７１Ｖ−と、直列接続された上アーム側のスイッチング素子７１Ｗ＋及び下アーム側のスイッチング素子７１Ｗ−と、が並列に接続されて、３相ブリッジ回路を構成している。
駆動回路７２ＩＮＶでは、給電線７２ＢＬとグランドとの間において、直列接続された上アーム側のスイッチング素子７２Ｕ＋及び下アーム側のスイッチング素子７２Ｕ−と、直列接続された上アーム側のスイッチング素子７２Ｖ＋及び下アーム側のスイッチング素子７２Ｖ−と、直列接続された上アーム側のスイッチング素子７２Ｗ＋及び下アーム側のスイッチング素子７２Ｗ−と、が並列に接続されて、３相ブリッジ回路を構成している。
駆動回路７１ＩＮＶにおいて、一端が中性点Ｎ１で接続される、Ｕ相コイル３１Ｕ、Ｖ相コイル３１Ｖ及びＷ相コイル３１Ｗの各他端は、Ｕ相コイル３１Ｕがスイッチング素子７１Ｕ＋及びスイッチング素子７１Ｕ−の間に接続され、Ｖ相コイル３１Ｖがスイッチング素子７１Ｖ＋及びスイッチング素子７１Ｖ−の間に接続され、Ｗ相コイル３１Ｗがスイッチング素子７１Ｗ＋及びスイッチング素子７１Ｗ−の間に接続されている。
駆動回路７２ＩＮＶにおいて、一端が中性点Ｎ２で接続される、Ｕ相コイル３２Ｕ、Ｖ相コイル３２Ｖ及びＷ相コイル３２Ｗの各他端は、Ｕ相コイル３２Ｕがスイッチング素子７２Ｕ＋及びスイッチング素子７２Ｕ−の間に接続され、Ｖ相コイル３２Ｖがスイッチング素子７２Ｖ＋及びスイッチング素子７２Ｖ−の間に接続され、Ｗ相コイル３２Ｗがスイッチング素子７２Ｗ＋及びスイッチング素子７２Ｗ−の間に接続されている。
スイッチング素子７１Ｕ＋、７１Ｕ−、７１Ｖ＋、７１Ｖ−、７１Ｗ＋、７１Ｗ−、７２Ｕ＋、７２Ｕ−、７２Ｖ＋、７２Ｖ−、７２Ｗ＋、７２Ｗ−は、それぞれ、その制御端子に制御信号を入力することでオン・オフ動作する半導体素子であり、モータ３による逆起電圧を直流電源ＰＷに回生するためのダイオードＤが逆並列に接続されている。ダイオードＤは、スイッチング素子７１Ｕ＋、７１Ｕ−、７１Ｖ＋、７１Ｖ−、７１Ｗ＋、７１Ｗ−、７２Ｕ＋、７２Ｕ−、７２Ｖ＋、７２Ｖ−、７２Ｗ＋、７２Ｗ−が、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）等、製造過程で必然的に形成される寄生ダイオードを有する半導体素子であれば、その寄生ダイオードで代用してもよい。
なお、スイッチング素子７１Ｕ＋、７１Ｕ−、７１Ｖ＋、７１Ｖ−、７１Ｗ＋、７１Ｗ−、７２Ｕ＋、７２Ｕ−、７２Ｖ＋、７２Ｖ−、７２Ｗ＋、７２Ｗ−のオン状態とは、これらスイッチング素子を通して電流が流れる通電状態をいい、スイッチング素子７１Ｕ＋、７１Ｕ−、７１Ｖ＋、７１Ｖ−、７１Ｗ＋、７１Ｗ−、７２Ｕ＋、７２Ｕ−、７２Ｖ＋、７２Ｖ−、７２Ｗ＋、７２Ｗ−のオフ状態とは、これらスイッチング素子を通した電流の流通が遮断される遮断状態をいうものとする。後述の半導体スイッチについても同様である。
駆動回路７１ＩＮＶは、下アーム側のスイッチング素子７１Ｕ−、７１Ｖ−、７１Ｗ−からグランドに向けて流れる電流、すなわち、巻線組３１に流れる電流の検出信号を出力する電流センサ７１Ｓを備えている。電流センサ７１Ｓは、例えば、シャント抵抗を含み、シャント抵抗の両端間の電位差に相当する電圧を巻線組３１に流れる電流の検出信号として出力する。
駆動回路７２ＩＮＶは、下アーム側のスイッチング素子７２Ｕ−、７２Ｖ−、７２Ｗ−からグランドに向けて流れる電流、すなわち、巻線組３２に流れる電流の検出信号を出力する電流センサ７２Ｓを備えている。電流センサ７２Ｓは、例えば、シャント抵抗を含み、シャント抵抗の両端間の電位差に相当する電圧を巻線組３２に流れる電流の検出信号として出力する。
通電系統７１において、給電線７１ＢＬには、コイル７１Ｌとこのコイル７１Ｌの両端をそれぞれグランドに接続する２つの電解コンデンサ７１Ｃａ，７１Ｃｂとで構成されたπ型ローパスフィルタが設けられている。また、通電系統７２において、給電線７２ＢＬには、コイル７２Ｌとこのコイル７２Ｌの両端をそれぞれグランドに接続する２つの電解コンデンサ７２Ｃａ，７２Ｃｂとで構成されたπ型のローパスフィルタが設けられている。これらローパスフィルタは、直流電源ＰＷから駆動回路７１ＩＮＶ及び駆動回路７２ＩＮＶへ流れる電源電流において、所定の遮断周波数より高い周波数の成分を減衰させて遮断するものである。
モータ駆動装置７は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やマイクロプロセッサ等の演算手段、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）等の記憶手段を備えた制御器７０ＣＵを有している。この制御器７０ＣＵが、前述のように、各種入力信号に基づいて、運転者のステアリング操作による操舵を補助するために必要な操舵補助力（目標操舵補助力）を演算し、目標操舵補助力に応じて駆動回路７１ＩＮＶ及び駆動回路７２ＩＮＶを制御することで、モータ３を駆動させる。
なお、本実施形態において、制御器７０ＣＵにおける各種演算処理は、演算手段が記憶手段に予め記憶されたプログラムを読み込んで実行するものとして説明する。ただし、これに限らず、ハードウェアの構成により各演算処理の一部又は全部を実現することも可能である。
制御器７０ＣＵは、後述のように異常診断機能によって通電系統７１及び通電系統７２等が正常と診断されている通常時、駆動回路７１ＩＮＶ及び駆動回路７２ＩＮＶの２つの駆動回路の出力電流を合計した総出力電流により、目標操舵補助力に相当するトルクをモータ３に発生させる。通常時における駆動回路７１ＩＮＶと駆動回路７２ＩＮＶとの出力電流比率の値は、予めＲＯＭ等の記憶手段に記憶され、例えば、５０％対５０％に設定される。
制御器７０ＣＵは、目標操舵補助力に応じて、モータ３に流す目標総出力電流を演算する。例えば、目標操舵補助力と目標総出力電流とを予め関連付けたデータテーブルをＲＯＭ等に記憶して、このデータテーブルを参照して、目標操舵補助力に応じた目標総出力電流を選択してもよい。これにより、制御器７０ＣＵは、目標総出力電流と駆動回路７１ＩＮＶ及び駆動回路７２ＩＮＶの出力電流比率に基づいて、駆動回路７１ＩＮＶの第１目標出力電流と駆動回路７２ＩＮＶの第２目標出力電流とを演算する。
制御器７０ＣＵは、電流センサ７１Ｓの検出信号に基づいて巻線組３１に実際に流れる第１実電流を演算し、第１目標出力電流と第１実電流との偏差に基づいて、駆動回路７１ＩＮＶの６つのスイッチング素子７１Ｕ＋、７１Ｕ−、７１Ｖ＋、７１Ｖ−、７１Ｗ＋、７１Ｗ−を例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御等で個別にオン・オフ動作させる６つの制御信号を生成する。そして、制御器７０ＣＵは、これら６つの制御信号を各スイッチング素子の制御端子へ出力し、これによりモータ３のトルク制御を行う。
制御器７０ＣＵは、電流センサ７２Ｓの検出信号に基づいて巻線組３２に実際に流れる第２実電流を演算し、第２目標出力電流と第２実電流との偏差に基づいて、駆動回路７２ＩＮＶの６つのスイッチング素子７２Ｕ＋、７２Ｕ−、７２Ｖ＋、７２Ｖ−、７２Ｗ＋、７２Ｗ−を例えばＰＷＭ制御等で個別にオン・オフ動作させる６つの制御信号を生成する。そして、制御器７０ＣＵは、これら６つの制御信号を各スイッチング素子の制御端子へ出力し、これによりモータ３のトルク制御を行う。
ここで、制御器７０ＣＵは、モータ３のトルク制御だけでなく、例えば、電流センサ７１Ｓにより検出された第１実電流又は電流センサ７２Ｓにより検出された第２実電流が所定時間継続したときに過電流が発生していると診断する等、通電系統７１及び巻線組３１、又は、通電系統７２及び巻線組３２に異常が発生しているか否かを診断する周知の異常診断機能を有している。
そして、モータ駆動装置７には、制御器７０ＣＵの異常診断機能によって通電系統７１及び巻線組３１、又は通電系統７２及び巻線組３２に異常が発生したと診断された異常時に、直流電源ＰＷから異常が発生した一方に対する電力供給を遮断するための電源リレーとして、半導体スイッチ（第１半導体スイッチ）が通電系統毎に設けている。具体的には、通電系統７１では給電線７１ＢＬに半導体スイッチ７１Ｒが設けられ、通電系統７２では給電線７２ＢＬに半導体スイッチ７２Ｒが設けられている。半導体スイッチ７１Ｒ及び半導体スイッチ７２Ｒは制御器７０ＣＵによって制御され、かかる制御は、車両１のイグニッションキーがオンとなったとき等、モータ３の発生トルクにより操舵補助力を発生させる可能性がある場合に開始される。なお、半導体スイッチ７１Ｒ及び半導体スイッチ７２Ｒは、制御開始前にはオフ状態となっている。
半導体スイッチ７１Ｒは、その制御端子に制御信号を入力することでオン・オフ動作し、製造過程で必然的に形成される寄生ダイオードＤ１を有するＭＯＳＦＥＴ等の半導体素子である。半導体スイッチ７１Ｒの寄生ダイオードＤ１は、半導体スイッチ７１Ｒがオフ状態でも、モータ３による逆起電圧を寄生ダイオードＤ１で直流電源ＰＷへ回生すべく、駆動回路７１ＩＮＶから直流電源ＰＷへ向かう方向の電流を導通させる。したがって、半導体スイッチ７１Ｒにおける寄生ダイオードＤ１の順方向は駆動回路７１ＩＮＶから直流電源ＰＷへ向かう。例えば、半導体スイッチ７１ＲがＮチャンネル型のＭＯＳＦＥＴである場合には、ソース端子が駆動回路７１ＩＮＶ側に接続され、ドレイン端子が直流電源ＰＷ側に接続される。
半導体スイッチ７２Ｒは、半導体スイッチ７１Ｒと同様、寄生ダイオードＤ２を有するＭＯＳＦＥＴ等の半導体素子である。半導体スイッチ７２Ｒの寄生ダイオードＤ２は、半導体スイッチ７２Ｒがオフ状態でも、モータ３による逆起電圧を寄生ダイオードＤ２で直流電源ＰＷへ回生すべく、駆動回路７２ＩＮＶから直流電源ＰＷへ向かう方向の電流を導通させる。したがって、半導体スイッチ７２Ｒにおける寄生ダイオードＤ２の順方向は駆動回路７２ＩＮＶから直流電源ＰＷへ向かう。例えば、半導体スイッチ７２ＲがＮチャンネル型のＭＯＳＦＥＴである場合には、ソース端子が駆動回路７２ＩＮＶ側に接続され、ドレイン端子が直流電源ＰＷ側に接続される。
制御器７０ＣＵは、異常診断機能により、例えば、通電系統７１及び巻線組３１に異常が発生していると診断した場合には、フェールセーフ処理として、半導体スイッチ７１Ｒ、及び、駆動回路７１ＩＮＶのスイッチング素子７１Ｕ＋、７１Ｕ−、７１Ｖ＋、７１Ｖ−、７１Ｗ＋、７１Ｗ−に制御信号を出力してこれらをオフ状態にし、駆動回路７１ＩＮＶ及び巻線組３１への電力供給を遮断する。そして、制御器７０ＣＵは、正常と診断された通電系統７２の駆動回路７２ＩＮＶでモータ３が目標操舵補助力に相当するトルクを発生するように前述と同様のトルク制御を行う。出力電流比率は、運転者が操舵可能な範囲で５０〜１００％の所定値に設定される。
一方、制御器７０ＣＵは、異常診断機能により、例えば、通電系統７２及び巻線組３２に異常が発生していると診断した場合には、フェールセーフ処理として、半導体スイッチ７２Ｒ、及び、駆動回路７２ＩＮＶのスイッチング素子７２Ｕ＋、７２Ｕ−、７２Ｖ＋、７２Ｖ−、７２Ｗ＋、７２Ｗ−に制御信号を出力してこれらをオフ状態にし、駆動回路７２ＩＮＶ及び巻線組３２への電力供給を遮断する。そして、制御器７０ＣＵは、正常と診断された通電系統７１の駆動回路７１ＩＮＶでモータ３が目標操舵補助力に相当するトルクを発生するように前述と同様のトルク制御を行う。出力電流比率は、運転者が操舵可能な範囲で５０〜１００％の所定値に設定される。
ところで、図３に示すように、バッテリ交換等により、直流電源ＰＷがモータ駆動装置７に対して誤って極性を逆にして逆接続された場合には、電源リレーとして、通電系統７１に半導体スイッチ７１Ｒを設け、通電系統７２に半導体スイッチ７２Ｒを設けただけでは、半導体スイッチ７１Ｒ及び半導体スイッチ７２Ｒ、並びに、スイッチング素子７１Ｕ＋、７１Ｕ−、７１Ｖ＋、７１Ｖ−、７１Ｗ＋、７１Ｗ−、７２Ｕ＋、７２Ｕ−、７２Ｖ＋、７２Ｖ−、７２Ｗ＋、７２Ｗ−が全てオフ状態であっても、閉回路が形成されて過大な短絡電流が発生してしまう。
すなわち、図３の破線矢印で示されるように、通電系統７１では、逆接続された直流電源ＰＷからの電流は、グランドを介して駆動回路７１ＩＮＶに流入し、下アーム側のスイッチング素子７１Ｕ−、７１Ｖ−、７１Ｗ−から上アーム側のスイッチング素子７１Ｕ＋、７１Ｖ＋、７１Ｗ＋へ向けてダイオードＤを介して流れた後、半導体スイッチ７１ＲのダイオードＤ１を流れて、直流電源ＰＷに戻ってしまう。また、通電系統７２では、逆接続された直流電源ＰＷからの電流は、グランドを介して駆動回路７２ＩＮＶに流入し、下アーム側のスイッチング素子７２Ｕ−、７２Ｖ−、７２Ｗ−から上アーム側のスイッチング素子７２Ｕ＋、７２Ｖ＋、７２Ｗ＋へ向けてダイオードＤを介して流れた後、半導体スイッチ７２ＲのダイオードＤ２を流れて、直流電源ＰＷに戻ってしまう。
かかる直流電源ＰＷの逆接続を考慮して、特開２０１３−２１５０４０号公報に開示されるように、各通電系統における電源リレーとして２つの半導体スイッチを直列接続し、それらの寄生ダイオードの順方向を互いに逆向きとなるようにすることも考えられる。すなわち、通電系統７１において、半導体スイッチ７１Ｒに追加の半導体スイッチを直列接続して２つの寄生ダイオードの順方向を互いに逆向きにし、通電系統７２において、半導体スイッチ７２Ｒに追加の半導体スイッチを直列接続して２つの寄生ダイオードの順方向を互いに逆向きにする。しかし、このように半導体スイッチを追加した場合には、部品点数が２倍となってコスト及び実装面積が大幅に増加するだけでなく、フェールセーフ処理により電源リレーとして直列接続された２つの半導体スイッチをオフ状態にした通電系統において、モータ３の回転により加わる逆起電圧を直流電源ＰＷに回生すべく、追加の半導体スイッチを再度オン状態にする制御が必要となってフェールセーフ処理が複雑化してしまう。
そこで、モータ駆動装置７では、電源リレーとして、半導体スイッチ７１Ｒ及び半導体スイッチ７２Ｒに加えて、１つの半導体スイッチ７０Ｒ（第２半導体スイッチ）が電源線７０ＰＬに設けられている。この半導体スイッチ７０Ｒは、半導体スイッチ７１Ｒ及び半導体スイッチ７２Ｒと直流電源ＰＷとを直列に接続している。半導体スイッチ７０Ｒは、半導体スイッチ７１Ｒ及び半導体スイッチ７２Ｒと同様に制御器７０ＣＵによって制御され、かかる制御は、車両１のイグニッションキーがオンとなったとき等、モータ３の発生トルクにより操舵補助力を発生させる可能性がある場合に開始される。なお、半導体スイッチ７０Ｒは、制御開始前にはオフ状態となっている。
半導体スイッチ７０Ｒは、半導体スイッチ７１Ｒ及び半導体スイッチ７２Ｒと同様に、その制御端子に制御器７０ＣＵからの制御信号を入力することでオン・オフ動作し、製造過程で必然的に形成される寄生ダイオードＤ０を有するＭＯＳＦＥＴ等の半導体素子である。
半導体スイッチ７０Ｒは、直流電源ＰＷの逆接続による閉回路の形成を防止すべく、寄生ダイオードＤ０が直流電源ＰＷから半導体スイッチ７１Ｒ及び半導体スイッチ７２Ｒへ向かう方向の電流を導通させるように電源線７０ＰＬに接続される。したがって、半導体スイッチ７０Ｒにおける寄生ダイオードＤ０の順方向は直流電源ＰＷから半導体スイッチ７１Ｒ及び半導体スイッチ７２Ｒへ向かう。例えば、半導体スイッチ７０ＲがＮチャンネル型のＭＯＳＦＥＴである場合には、ソース端子が直流電源ＰＷ側に接続され、ドレイン端子が半導体スイッチ７１Ｒ及び半導体スイッチ７２Ｒ側に接続される。
直流電源ＰＷがモータ駆動装置７に対して逆接続されるバッテリ交換等の際には、制御器７０ＣＵには正常な電圧が供給されず、制御器７０ＣＵが動作しないため、半導体スイッチ７０Ｒはオフ状態となっている。したがって、図３のように、バッテリ交換等で直流電源ＰＷが誤って逆接続された場合でも、オフ状態となっている半導体スイッチ７０Ｒにより、半導体スイッチ７１Ｒの寄生ダイオードＤ１及び半導体スイッチ７２Ｒの寄生ダイオードＤ２を通って直流電源ＰＷに戻ろうとする短絡電流を遮断することができる。
次に、図４を参照して、モータ駆動装置７における逆起電圧回生作用について説明する。ここでは、制御器７０ＣＵが、通電系統７１及び巻線組３１に異常が発生したと診断し、フェールセーフ処理として、半導体スイッチ７１Ｒ、及び、駆動回路７１ＩＮＶのスイッチング素子７１Ｕ＋、７１Ｕ−、７１Ｖ＋、７１Ｖ−、７１Ｗ＋、７１Ｗ−をオフ状態（ＯＦＦ）にしている。また、制御器７０ＣＵは、半導体スイッチ７０Ｒ及び半導体スイッチ７２Ｒをオン状態（ＯＮ）に維持するとともに、正常と診断された通電系統７２の駆動回路７２ＩＮＶの出力電流比率を５０〜１００％の所定値に再設定して、モータ３が目標操舵補助力に相当するトルクを発生するように、スイッチング素子７２Ｕ＋、７２Ｕ−、７２Ｖ＋、７２Ｖ−、７２Ｗ＋、７２Ｗ−に制御信号を出力してオン・オフ動作を行わせている。
かかるモータ駆動装置７の動作状態において、外力による車輪の１３の方向変化、あるいは、制御器７０ＣＵによる正常な通電系統７２及び巻線組３２を介したモータ３のトルク制御等に起因して、モータ３のロータ３０が巻線組３１及び巻線組３２の各相コイルに対して相対回転した場合、ある回転位置では、巻線組３１及び巻線組３２の各相コイルに、図４に示すように、逆起電圧による電流（白抜き矢印）が発生しているものと仮定する。
まず、正常と診断された通電系統７２及び巻線組３２では、下アーム側のスイッチング素子７２Ｖ−、７２Ｗ−のダイオードＤを通って巻線組３２のＶ相コイル３２Ｖ及びＷ相コイル３２Ｗに流入した電流は、中性点Ｎ２を通ってＵ相コイル３２Ｕを流れ、上アーム側のスイッチング素子７２Ｕ＋のダイオードＤを通って、半導体スイッチ７２Ｒまで流れる。半導体スイッチ７２Ｒ及び半導体スイッチ７０Ｒはいずれもオン状態であるので、逆起電圧による電流は半導体スイッチ７２Ｒ及び半導体スイッチ７０Ｒを通って直流電源ＰＷまで流れる。これにより、駆動回路７２ＩＮＶにおけるスイッチング素子７２Ｕ＋、７２Ｕ−、７２Ｖ＋、７２Ｖ−、７２Ｗ＋、７２Ｗ−や、ローパスフィルタの電解コンデンサ７２Ｃａ，７２Ｃｂ等、通電系統７２における回路素子の故障が抑制される。
一方、異常と診断された通電系統７１及び巻線組３１では、下アーム側のスイッチング素子７１Ｖ−、７１Ｗ−のダイオードＤを通って巻線組３１のＶ相コイル３１Ｖ及びＷ相コイル３１Ｗに流入した電流は、中性点Ｎ１を通ってＵ相コイル３１Ｕを流れ、上アーム側のスイッチング素子７１Ｕ＋のダイオードＤを通って、半導体スイッチ７１Ｒまで流れる。半導体スイッチ７１Ｒはフェールセーフ処理によりオフ状態となっているが、逆起電圧による電流は半導体スイッチ７１Ｒの寄生ダイオードＤ１を通り、オン状態となっている半導体スイッチ７０Ｒを通って直流電源ＰＷまで流れる。これにより、駆動回路７１ＩＮＶにおけるスイッチング素子７１Ｕ＋、７１Ｕ−、７１Ｖ＋、７１Ｖ−、７１Ｗ＋、７１Ｗ−や、ローパスフィルタの電解コンデンサ７１Ｃａ，７１Ｃｂ等、異常と診断された通電系統７１における回路素子の故障も抑制される。
なお、半導体スイッチ７０Ｒの寄生ダイオードＤ０はその順方向が直流電源ＰＷから半導体スイッチ７１Ｒ及び半導体スイッチ７２Ｒへ向かうため、半導体スイッチ７０Ｒがオフ状態であっても、直流電源ＰＷから通電系統７１及び通電系統７２に向う電流が寄生ダイオードＤ０を通って流れてしまうとも考えられる。しかし、半導体スイッチ７０Ｒがオフ状態であれば、モータ３の発生トルクにより操舵補助力を発生させる可能性がない場合あるいは制御器７０ＣＵが動作不能である場合等であるため、半導体スイッチ７１Ｒ及び半導体スイッチ７２Ｒもオフ状態となっている。このため、直流電源ＰＷから通電系統７１及び通電系統７２へ向かう電流が半導体スイッチ７０Ｒの寄生ダイオードＤ０を通って流れることは殆どない。
このような第１実施形態に係るモータ駆動装置７によれば、各通電系統に半導体スイッチ７１Ｒ及び半導体スイッチ７２Ｒを設け、これらと直流電源ＰＷとを直列に接続する１つの半導体スイッチ７０Ｒを設けて、これら３つの半導体スイッチ７０Ｒ，７１Ｒ，７２Ｒにより、直流電源ＰＷから通電系統７１又は通電系統７２への電力供給を遮断するための電源リレーを構成している。そして、これら３つの半導体スイッチ７０Ｒ，７１Ｒ，７２Ｒでは、半導体スイッチ７１Ｒ，７２Ｒの寄生ダイオードＤ１，Ｄ２が駆動回路７１ＩＮＶ，７２ＩＮＶから半導体スイッチ７０Ｒに向かう電流を導通させ、半導体スイッチ７０Ｒの寄生ダイオードＤ０が直流電源ＰＷから半導体スイッチ７１Ｒ，７２Ｒに向かう電流を導通させている。かかる構成により、直流電源ＰＷの逆接続による閉回路の形成を回避できるだけでなく、異常通電系統の半導体スイッチをオフ状態にするフェールセーフ処理の後、異常通電系統において半導体スイッチの制御を特別に行うことなく逆起電圧の回生が可能となり、フェールセーフ処理を簡潔にすることができる。また、半導体スイッチを通電系統毎に２つずつ設ける必要がなく、電源リレーの部品点数を減らしてコスト及び実装面積の低減を図ることが可能である。
次に、図５〜図７を参照して、第１実施形態に対する３つの変形例（第１〜３変形例）について説明する。第１〜第３変形例では、第１実施形態に対し、ローパスフィルタの構成を変形している。
前述のように、第１実施形態において、通電系統７１では、コイル７１Ｌ及び２つの電解コンデンサ７１Ｃａ，７１Ｃｂで構成されるπ型ローパスフィルタを、駆動回路７１ＩＮＶと半導体スイッチ７１Ｒとの間に設け、通電系統７２では、コイル７２Ｌ及び２つの電解コンデンサ７２Ｃａ，７２Ｃｂで構成されるπ型ローパスフィルタを、駆動回路７２ＩＮＶと半導体スイッチ７２Ｒとの間に設けていた。このような通電系統毎に１つずつ設けられた２つのπ型ローパスフィルタに代えて、第１〜３変形例では、以下のようにローパスフィルタを構成している。
図５の第１変形例では、直流電源ＰＷと半導体スイッチ７０Ｒとの間の電源線７０ＰＬに、コイル７０Ｌと、このコイル７０Ｌの直流電源ＰＷ側をグランドに接続する電解コンデンサ７０Ｃと、で構成されたＣＬ型ローパスフィルタが設けられ、通電系統７１の半導体スイッチ７１Ｒと駆動回路７１ＩＮＶとの間には給電線７１ＢＬとグランドとを接続する電解コンデンサ７１Ｃが設けられ、通電系統７２の半導体スイッチ７２Ｒと駆動回路７２ＩＮＶとの間には給電線７２ＢＬとグランドとを接続する電解コンデンサ７２Ｃが設けられている。これにより、電源リレーの部品点数だけでなく、ローパスフィルタの部品点数も低減することができる。
図６の第２変形例では、直流電源ＰＷと半導体スイッチ７０Ｒとの間には電源線７０ＰＬとグランドとを接続する電解コンデンサ７０Ｃが設けられ、通電系統７１の半導体スイッチ７１Ｒと駆動回路７１ＩＮＶとの間の給電線７１ＢＬには、コイル７１Ｌと、このコイル７１Ｌの駆動回路７１ＩＮＶ側をグランドに接続する電解コンデンサ７１Ｃと、で構成されたＬＣ型ローパスフィルタが設けられ、通電系統７２の半導体スイッチ７２Ｒと駆動回路７２ＩＮＶとの間の給電線７２ＢＬには、コイル７２Ｌと、このコイル７２Ｌの駆動回路７２ＩＮＶ側をグランドに接続する電解コンデンサ７２Ｃと、で構成されたＬＣ型ローパスフィルタが設けられている。これにより、電源リレーの部品点数だけでなく、ローパスフィルタの部品点数も低減することができる。
図７の第３変形例では、直流電源ＰＷと半導体スイッチ７０Ｒとの間に、コイル７０Ｌ及び２つの電解コンデンサ７０Ｃａ，７０Ｃｂで構成される１つのπ型ローパスフィルタが設けられたものである。これにより、電源リレーの部品点数だけでなく、ローパスフィルタの部品点数も低減することができる。
次に、図８を参照して、第２実施形態に係るモータ駆動装置について説明する。なお、第１実施形態と同一構成については、同一符号を付すことでその説明を省略又は簡潔にする。
第２実施形態のモータ駆動装置７０は、第１実施形態のモータ駆動装置７の制御器７０ＣＵに代えて、通電系統毎に１つずつ制御器を備えたものであり、具体的には、通電系統７１に制御器７１ＣＵを有し、通電系統７２に制御器７２ＣＵを有している。制御器７１ＣＵ及び制御器７２ＣＵは、制御器７０ＣＵの機能を通電系統毎に分担させて、モータ駆動装置７０のフェールセーフ機能を強化したものである。
制御器７１ＣＵは、第１目標出力電流及び第１実電流を演算し、第１目標出力電流と第１実電流との偏差に基づいて、駆動回路７１ＩＮＶの６つのスイッチング素子７１Ｕ＋、７１Ｕ−、７１Ｖ＋、７１Ｖ−、７１Ｗ＋、７１Ｗ−を個別にオン・オフ動作させる６つの制御信号を生成し、これら６つの制御信号を各スイッチング素子の制御端子へ出力して、モータ３のトルク制御を行う。また、制御器７２ＣＵは、第２目標出力電流及び第２実電流を演算し、第２目標出力電流と第２実電流との偏差に基づいて、駆動回路７２ＩＮＶの６つのスイッチング素子７２Ｕ＋、７２Ｕ−、７２Ｖ＋、７２Ｖ−、７２Ｗ＋、７２Ｗ−を個別にオン・オフ動作させる６つの制御信号を生成し、これら６つの制御信号を各スイッチング素子の制御端子へ出力して、モータ３のトルク制御を行う。
なお、第１目標出力電流及び第２目標出力電流の演算で必要な、駆動回路７１ＩＮＶ及び駆動回路７２ＩＮＶの目標総出力電流の演算は、制御器７１ＣＵ及び制御器７２ＣＵの少なくとも一方で行い、制御器７１ＣＵ又は制御器７２ＣＵのいずれか一方で目標総出力電流の演算を行った場合には、制御器７１ＣＵと制御器７２ＣＵとを接続する通信線７０ＣＬにより、演算した目標総出力電流の情報を含む信号を他方に出力すればよい。
制御器７１ＣＵは通電系統７１及び巻線組３１に異常が発生しているか否かを診断する異常診断機能を有し、制御器７２ＣＵは通電系統７２及び巻線組３２に異常が発生しているか否かを診断する異常診断機能を有している。
例えば、制御器７１ＣＵが、通電系統７１及び巻線組３１に異常が発生したと診断した場合には、通信線７０ＣＬにより、正常な通電系統７２の制御器７２ＣＵへ異常が発生した旨の信号を出力する。制御器７１ＣＵは、フェールセーフ処理として、半導体スイッチ７１Ｒ、及び、駆動回路７１ＩＮＶのスイッチング素子７１Ｕ＋、７１Ｕ−、７１Ｖ＋、７１Ｖ−、７１Ｗ＋、７１Ｗ−に制御信号を出力してこれらをオフ状態にし、駆動回路７１ＩＮＶ及び巻線組３１への電力供給を遮断する。また、制御器７２ＣＵは、駆動回路７２ＩＮＶの出力電流比率を５０〜１００％の所定値に再設定するとともに半導体スイッチ７２Ｒをオン状態に保持して、通電系統７２への電力供給を増やしつつ続行させ、モータ３が目標操舵補助力に相当するトルクを発生するようにトルク制御を行う。
また、モータ駆動装置７０にはＯＲ回路７０ＯＲが設けられ、ＯＲ回路７０ＯＲには、例えば、車両１のイグニッションキーがオンとなったとき等、モータ３の発生トルクにより操舵補助力を発生させる可能性がある場合に、制御器７１ＣＵ及び制御器７２ＣＵから各通電系統・巻線組の正常・異常状態を示すステータス信号が入力され、ＯＲ回路７０ＯＲからは、論理和の出力信号が半導体スイッチ７０Ｒの制御端子に出力される。論理和の出力信号は、両方のステータス信号が異常状態を示す場合に半導体スイッチ７０Ｒをオフ状態にする制御信号となる一方、両方のステータス信号が異常状態を示していない場合に半導体スイッチ７０Ｒをオン状態にする制御信号となる。なお、モータ３の発生トルクにより操舵補助力を発生させる可能性がない場合には、制御器７１ＣＵ及制御器７２ＣＵはＯＲ回路７０ＯＲにステータス信号を出力せず、半導体スイッチ７０Ｒはオフ状態となっている。
なお、第１実施形態における第１〜第３変形例は、第２実施形態のモータ駆動装置７０にも適用可能である。
このような第２実施形態に係るモータ駆動装置７０によれば、通電系統７１に制御器７１ＣＵを設け、通電系統７２に制御器７２ＣＵを設けて、１つの制御器で行う機能を、通電系統毎に各制御器７１ＣＵ，７２ＣＵに分担させてフェールセーフ機能を強化した構成としている。かかる構成においても、半導体スイッチ７０Ｒ，７１Ｒ，７２Ｒによって、第１実施形態と同様に、直流電源ＰＷの逆接続による閉回路の形成を回避できるだけでなく、異常通電系統において半導体スイッチの制御を特別に行うことなく逆起電圧の回生が可能となり、異常通電系統に対するフェールセーフ処理を簡潔にすることができる。また、半導体スイッチを通電系統毎に２つずつ設ける必要がなく、電源リレーの部品点数を減らしてコスト及び実装面積の低減を図ることが可能となる。
以上、本発明者にとってなされた発明を第１実施形態及び第２実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることはいうまでもない。例えば、モータ３は３相ブラシレスモータに限られず、２相、４相等のブラシレスモータであってもよく、あるいは、ブラシが備えられたモータであってもよい。
また、第１実施形態及び第２実施形態において、通電系統７１及び通電系統７２等が正常と診断されている通常時、駆動回路７１ＩＮＶ及び駆動回路７２ＩＮＶの２つの駆動回路の出力電流を合計した総出力電流により、目標操舵補助力に相当するトルクをモータ３に発生させていたが、これに代えて、通常時は、駆動回路７１ＩＮＶ又は駆動回路７２ＩＮＶのいずれか一方の出力電流で目標操舵補助力に相当するトルクをモータ３に発生させることができる。例えば、最初は、通電系統７２の駆動回路７２ＩＮＶの出力電流で目標操舵補助力に相当するトルクをモータ３に発生させるべく、半導体スイッチ７０Ｒ及び半導体スイッチ７２Ｒをオン状態にして、半導体スイッチ７１Ｒをオフ状態にしてもよい。このようにすると、休止中の通電系統７１には、モータ３のロータ３０と巻線組３１との相対回転運動から生じた逆起電圧による電流が流れるが、この電流は、半導体スイッチ７１ＲのダイオードＤ１を通ってオン状態の半導体スイッチ７０Ｒを直流電源ＰＷに向って流れるので、休止中の通電系統７１における回路素子の故障が抑制される。通電系統７２及び巻線組３２に異常が発生したと診断された場合には、半導体スイッチ７２Ｒをオフ状態にするとともに半導体スイッチ７１Ｒをオン状態にすればよい。
また、第１実施形態及び第２実施形態において、半導体スイッチ７０Ｒ，７１Ｒ，７２Ｒは、製造過程で必然的に形成される寄生ダイオードを有するＭＯＳＦＥＴ等の半導体素子であるものとしたが、これに限られず、寄生ダイオードを有していない半導体素子であれば、外部にダイオードが逆並列に接続されていてもよい。
また、第１実施形態及び第２実施形態では、説明の便宜上、モータ３が巻線組３１及び巻線組３２の２組の巻線組を有し、これに対応して、モータ駆動装置７，７０が通電系統７１及び通電系統７２の２つの通電系統を有している構成としたが、モータ３の巻線組を３つ以上のＮ組にし、これに対応して、通電系統をＮ個にしてもよい。この場合には、Ｎ個の通電系統の駆動回路に対する給電線に半導体スイッチ７１Ｒ，７２Ｒと同様に１つずつ複数の第１半導体スイッチを設け、直流電源ＰＷと半導体スイッチ７１Ｒ，７２Ｒとを直列に接続する半導体スイッチ７０Ｒと同様に、直流電源ＰＷとＮ個の第１半導体スイッチとを直列に接続する１つの第２半導体スイッチを設けて、寄生ダイオードの順方向を第１実施形態及び第２実施形態と同様にすればよい。
前述の第１実施形態及び第２実施形態において、モータ３の巻線組を３つ以上のＮ組にし、これに対応して、通電系統をＮ個にした場合、異常と診断された通電系統等が２つ以上のＭ個であれば、正常と診断された（Ｎ−Ｍ）個の通電系統等における各駆動回路の出力電流比率の合計を［１００×（Ｎ−Ｍ）／Ｎ］％〜１００％の所定値に再設定することができ、各駆動回路の出力電流比率を（１００／Ｎ）％〜［１００／（Ｎ−Ｍ）］％にしてもよい。
１…車両
２…電動パワーステアリング
３…モータ
３１，３２…巻線組
７，７０…モータ駆動装置
７０ＣＵ，７１ＣＵ，７２ＣＵ…制御器
７０Ｒ…半導体スイッチ
７１，７２…通電系統
７１ＩＮＶ，７２ＩＮＶ…駆動回路
７１Ｒ，７２Ｒ…半導体スイッチ
Ｄ０，Ｄ１，Ｄ２…寄生ダイオード

Claims (3)

  1. 複数の巻線組を有するモータを駆動するモータ駆動装置であって、
    前記複数の巻線組と一対一で接続された複数の駆動回路を１つずつ含む複数の通電系統と、
    前記複数の通電系統において、前記複数の駆動回路と電源との間で通電系統毎に１つずつ設けられた複数の第１半導体スイッチと、
    前記電源と前記複数の第１半導体スイッチとを直列接続する１つの第２半導体スイッチと、
    を備え、
    前記複数の第１半導体スイッチの寄生ダイオードが、それぞれ、前記複数の駆動回路から前記第２半導体スイッチへ向かう方向の電流を導通させ、前記第２半導体スイッチの寄生ダイオードが、前記電源から前記第１半導体スイッチへ向かう方向の電流を導通させることを特徴とする、モータ駆動装置。
  2. 前記複数の通電系統のうちいずれかに異常が発生した場合には、異常が発生した通電系統の前記第１半導体スイッチをオフ状態にして、正常な通電系統で前記モータを駆動す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. 前記モータは、電動パワーステアリングシステムの操舵補助力に相当するトルクを発生させるために用いられることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のモータ駆動装置。
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