JP3998478B2 - 冗長モータ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冗長モータ装置に係り、特に電流制御系を有する制御電源によって冗長モータを制御するための冗長モータの電流センシング方式に関する。
【０００２】
【従来の技術】
冗長モータ装置は、複数のモータ要素とその制御電源を多重系に構成しておき、何らかの原因で一部の系に故障が発生した場合にも健全な系により駆動力を確保する。
【０００３】
冗長モータ構造としては、複数のモータ要素を機構的に二重以上に並列接続し、各モータ要素のトルク出力和によって駆動力を得る方式と、１台のモータの巻線を二重以上に分離したモータ要素の一体型構成とし、各モータ要素のトルク出力和によって駆動力を得る方式がある。
【０００４】
また、冗長モータ装置の制御電源は、電力変換器としては交流冗長モータ用にはインバータ等が使用され、直流冗長モータ用には直流チョッパ等が使用される。これらインバータやチョッパはＩＧＢＴやパワートランジスタなどの電力用半導体素子を使用して主回路が構成される。また、制御電源の制御装置は、速度やトルク制御系のマイナループに電流制御系を設けた構成とされる。
【０００５】
図７は、２台の交流モータで構成する冗長モータ装置の回路構成例である。モータ１とモータ２は、それぞれインバータ３、４で駆動され、それらの出力トルク和を負荷の駆動力として取り出す。インバータ３、４の制御装置は電流制御系のみを示し、この電流制御は、両モータ１、２の電流を電流センサ５、６でそれぞれ検出し、これらをフィードバック信号とする電流制御部７、８で同じ電流指令と比較演算（例えば比例積分演算）し、インバータ３、４のゲート制御でそれらの出力電流を電流指令に追従させる。
【０００６】
このような構成において、例えば、モータ１の巻線の断線やインバータ３の素子破損などによってモータ１の系に故障が発生した場合、それをモータ電流の監視等によって検出し、この検出で電流指令を２倍に切り替え、健全なモータ２の単独運転により故障発生前と同等の駆動力を確保する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の冗長モータ装置は、駆動力補償には、モータの巻線断線やインバータの素子故障など、種々の原因で発生する故障をそれぞれ検出できる故障検出装置を必要としている。
【０００８】
また、従来の冗長モータ装置は、電流センサによってそれぞれ個別の電流制御系にフィードバックする構成になっているため、故障発生時にモータのトルク出力を低下させないためには、電流指令を自動切り替えする装置及びまたはソフトウェア構成を必要としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するための本発明は、以下の構成を特徴とする。
【００１０】
（１）複数の交流モータ要素の出力トルク和を負荷の駆動力として取り出す構成にした冗長モータと、電流制御系を有して前記複数の交流モータ要素をそれぞれ制御する制御電源とを備えた冗長モータ装置において、
前記複数の交流モータ要素はその中性点間を接続した構成とし、
前記制御電源は、前記複数の交流モータ要素の巻線電流を加算した電流を検出し、この検出電流を前記電流制御系にフィードバックする電流センサを備え、
前記電流センサは、前記複数の交流モータ要素の巻線を一次側とし、各巻線を共に二次側巻線に貫通させ、該二次側巻線に前記複数の交流モータ要素の巻線電流を加算した検出電流を得ることを特徴とする。
【００１１】
（２）前記複数の交流モータ要素は、互いの巻線電流の位相を合わせかつバランスさせた巻線構造とすることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態を示す冗長モータ装置の回路構成である。同図が図７と異なる部分は、電流センサ５、６のセンシング方式にある。
【００１５】
電流センサ５、６は、インバータ３の出力端とモータ１の巻線間を接続する導体１Ａに流れる電流と、インバータ４の出力端とモータ２の巻線間を接続する導体２Ａに流れる電流とを加算した電流をそれぞれ検出し、これらの検出電流をそれぞれの電流制御系への電流フィードバック信号とする。
【００１６】
これら電流センサ５、６は、一次側巻線と二次側巻線を電磁結合した変流器、ホール効果等を利用した電流−電圧変換素子などの非接触型電流センサで実現される。
【００１７】
例えば、モータ１、２及びインバータ３、４が単相構成とする場合、電流センサ５、６はそれぞれ変流器構成とし、インバータ３、４とモータ１、２を接続する導体１Ａ，２Ａを共通の一次側導体とし、それぞれの二次側巻線に両導体１Ａ，２Ａに流れる電流を加算した変成電流を得る。
【００１８】
図２は、電流センサ５、６を変流器構成とする場合を示し、二次側巻線５Ａ，６Ａにモータ１、２の巻線１Ａ，１Ｂを共に貫通させた構成とし、両巻線１Ａ，１Ｂに流れる電流を加算した変成電流を巻線５Ａ，６Ａに得る。なお、巻線５Ａ，６Ａの変成電流は、電流検出回路等によって電圧信号に変換される。
【００１９】
以上の構成において、モータ１、２の系が共に健全な場合、モータ１、２はそれぞれ電流指令値の約半分の電流で駆動され、それらが発生するトルクの和を駆動力として負荷を駆動する。
【００２０】
そして、モータ１、２の一方の系に故障が発生した場合、例えば、モータ１またはインバータ３に故障が発生した場合、モータ１の巻線１Ａには電流が流れなくなるため、電流センサ５、６のセンシング電流値が約半分になる。このとき、電流制御部８への電流フィードバック量が約半減することから、電流制御部８の制御出力が電流指令値に一致するよう増大し、インバータ４によりモータ２が電流指令値に一致する電流で駆動され、モータ２の単独運転で負荷に必要な駆動力を発生する。
【００２１】
したがって、本実施形態によれば、モータ１、２の一方の系に故障が発生した場合には他方の系により必要な駆動力を発生するという冗長モータ装置を実現できる。しかも、本実施形態によれば、従来方式で必要となる故障検出装置が不要になると共に、電流指令を自動切り替えする装置やソフトウェア構成が不要となり、装置構成の簡略化とコストダウンを図ることができ、さらに回路要素の削減により装置の信頼性を一層高めることができる。また、本実施形態では、故障発生に対して瞬時に補償動作を得ることができ、故障発生時に駆動力の瞬時低下を招くことなく負荷を安定駆動できる。
【００２２】
なお、本実施形態では、２台のモータを使用した冗長モータ装置とする場合を示すが、３台以上のモータで構成する場合にも適用できる。例えば、３台のモータで構成する場合、３つの電流センサで各モータの電流の総和を検出する構成としておき、１台もしくは２台のモータに故障が発生した場合に残りの２台もしくは１台の健全なモータの電流を３／２倍もしくは３倍に高める構成で実現される。
【００２３】
また、本実施形態では、モータ１、２を単相モータとする場合を示すが、３相モータ構成や直流モータ構成に適用して同等の作用効果を得ることができる。例えば、モータ１、２を３相モータとする場合、インバータ３、４を３相インバータ構成とし、電流センサ５、６は、両モータの３相電流をセンシングする構成で実現される。また、モータ１、２を直流モータとする場合、インバータ３、４に代えて直流チョッパ構成とし、電流センサ５、６を直流電流検出器とすることで実現される。
【００２４】
図３は、本発明の他の実施形態を示す冗長モータ装置の回路構成である。同図が図１と異なる部分は、インバータ３、４の電流制御系を共通のものとし、１つの電流センサによりモータ１、２の電流を加算した電流を検出する構成とする。
【００２５】
図３において、１つの電流センサ９は、インバータ３の出力端とモータ１の巻線間を接続する導体１Ａに流れる電流と、インバータ４の出力端とモータ２の巻線間を接続する導体２Ａに流れる電流とを加算した電流を検出し、この検出電流を電流制御系への電流フィードバック信号とする。
【００２６】
また、インバータ３、４の電流制御系は、電流制御部１０により電流センサ９の検出電流と電流指令とを比較し、この比較結果によりインバータ３、４をゲート制御する構成とする。
【００２７】
本実施形態において、モータ１、２の系が共に健全な場合、図１の場合と同様に、モータ１、２はそれぞれ電流指令値の約半分の電流で駆動され、それらの出力トルクの和を駆動力として負荷を駆動する。
【００２８】
そして、モータ１、２の一方の系に故障が発生した場合、電流センサ９からの電流フィードバック量が約半減することから、電流制御部８の制御出力が電流指令値に一致するよう増大し、健全側モータの単独運転で負荷に必要な駆動力を発生することができる。
【００２９】
本実施形態は、図１の場合と同等の作用効果を得ることができるのに加えて、電流センサ９および電流制御部８が１つで済み、装置の一層の簡略化とコストダウンを図ることができる。
【００３０】
なお、本実施形態においても、３台以上のモータで構成すること、モータを３相モータ構成や直流モータ構成とすることができる。
【００３１】
図４は、図３の構成において、モータ１、２を単相モータとする場合の制御装置の構成例を示す。インバータ３、４は、電力用半導体スイッチ（ＭＯＳ−ＦＥＴの場合を示す）Ｕ，Ｖ，Ｘ，Ｙのブリッジ接続で主回路が構成され、各スイッチＵ，Ｖ，Ｘ，ＹがゲートドライバＧＤによってオン・オフ制御されることで周波数と電圧が制御された単相出力をモータ１、２に供給する。
【００３２】
電流センサ９は、インバータ３、４とモータ１、２の接続導体１Ａ，２Ａに流れる同極性の電流Ｉ，Ｉ’を検出することで、それらを加算した電流を検出する。
【００３３】
電流制御部１０は、電流指令値と電流センサ９のフィードバック信号を基に電流制御信号を発生する制御回路ＣＯＮと、この制御回路ＣＯＮからの電流制御信号に応じた周期と点弧タイミングになるゲート信号を発生してゲートドライバＧＤに与えるゲート信号発生部ＧＧとにより構成する。
【００３４】
図５は、図３の構成において、モータ１、２を３相モータとする場合の制御装置の構成例を示す。図５が図４と異なる部分は、インバータ３、４を３相インバータとし、３相モータ１、２はその中性点を互いに接続し、電流センサ９Ｕ，９Ｖ，９Ｗは３相モータ１、２の同相になる各巻線別の電流（例えばＵ相，Ｕ’相の電流）を加算した電流を検出する。
【００３５】
この構成において、例えば、モータ１のＵ相に故障が発生した場合、電流センサ９Ｕの検出電流が約１／２となるため、モータ２のＵ’相の電流が約２倍になる。このＵ’相で倍増した電流は中性線を介してモータ１のＶ，Ｗ相へ流れ、モータ２のトルク出力が増加し、故障発生前と同じ駆動力を発生する。
【００３６】
図６は、図５における３相モータ１、２を１台のモータ構成とする一体型の場合を示す。この一体型構成には、モータの同軸上に巻線を縦列配置する構造、または巻線を同じ軸位置で二重配置する構造で実現される。
【００３７】
図６の（ａ）では、モータ出力軸１１にロータ１２、１３とステータ１４、１５とを縦列配置する場合を示す。このモータ構造において、ロータ１２とステータ１４が第１のモータ要素になり、ロータ１３とステータ１５が第２のモータ要素になる。
【００３８】
ここで、３相モータでは巻線電流が交流であるため、位相を合わせる必要があることと、バランスしていることが必要である。そこで、図６の（ａ）のごとく、巻線を縦列配置する場合には、第１モータ要素と第２モータ要素のロータ・ステータ位相を機械的に一致させること、または図６の（ｂ）のごとく、巻線を多重配置する場合、例えば４極モータにおいて、二重配置する場合は、第１のモータ要素と第２のモータ要素は互いに１８０度の位相差をもつ巻線配置とし、電気的な干渉を低減する。
【００３９】
なお、３つ以上のモータ要素で構成する場合もそれぞれの巻線配置を位相的にバランスさせた構成とする。同様に、巻線を同じ軸位置で二重配置さらには多重配置する場合もそれぞれをバランスさせた構成とする。
【００４０】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、モータ要素の巻線電流を加算した電流を電流制御系へフィードバックするため、従来方式で必要となる故障検出装置が不要になるし、電流指令を自動切り替えする装置やソフトウェア構成が不要となる。
【００４１】
また、本発明によれば、故障発生に対して瞬時に補償動作を得ることができ、故障発生時に駆動力の瞬時低下を招くことなく負荷を安定駆動できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す冗長モータ装置の回路構成。
【図２】実施形態における電流センサの構成例。
【図３】本発明の他の実施形態を示す冗長モータ装置の回路構成。
【図４】図３における冗長モータを単相モータとする場合の制御装置の構成例。
【図５】図３における冗長モータを３相モータとする場合の制御装置の構成例。
【図６】本発明の他の実施形態を示す冗長モータの構成。
【図７】従来の冗長モータ装置の構成例。
【符号の説明】
１、２…モータ
３、４…インバータ
５、６、９…電流センサ
７、８、１０…電流制御部
１１…冗長モータの出力軸
１２、１３…冗長モータのロータ
１４、１５…冗長モータのステータ

Claims (2)

1. 複数の交流モータ要素の出力トルク和を負荷の駆動力として取り出す構成にした冗長モータと、電流制御系を有して前記複数の交流モータ要素をそれぞれ制御する制御電源とを備えた冗長モータ装置において、
   前記複数の交流モータ要素はその中性点間を接続した構成とし、
   前記制御電源は、前記複数の交流モータ要素の巻線電流を加算した電流を検出し、この検出電流を前記電流制御系にフィードバックする電流センサを備え、
   前記電流センサは、前記複数の交流モータ要素の巻線を一次側とし、各巻線を共に二次側巻線に貫通させ、該二次側巻線に前記複数の交流モータ要素の巻線電流を加算した検出電流を得ることを特徴とする冗長モータ装置。
2. 前記複数の交流モータ要素は、互いの巻線電流の位相を合わせかつバランスさせた巻線構造とすることを特徴とする請求項１に記載の冗長モータ装置。

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