JP5459311B2 - モータ駆動システム、モータ駆動システムの制御方法、及び走行装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、モータ駆動システム、モータ駆動システムの制御方法、及び走行装置に関する。

近年、倒立制御により動作するパーソナルモビリティロボットが開発されている。例えば特許文献１には、倒立制御を行いながら移動する２輪の走行装置が開示されている。

このような倒立制御により動作するパーソナルモビリティロボットでは、モータの駆動に関わる箇所（ＣＰＵやインバータなどの電気部品）が故障により機能不全となった場合には、その制御系の性質上、不安定状態となる。このため、システムの多重化が必須となる。

例えば特許文献１に記載の走行装置では、図２１に示す構成により、システムの多重化を図っている。すなわち、図に示すように、車輪を駆動するモータ５１０、５２０に関して、モータの巻線を６スロットとし、６スロットにつて３スロット毎の二重巻線として構成する。そして、３スロット毎の二重巻線をそれぞれ１つのインバータ（５３０、５４０）で駆動する構成としている。このような構成により、１相が故障した場合には、片側のインバータを停止して、３スロット分の巻線のみで駆動する。

また、モータの冗長化を図るための他の構成としては、特許文献２や特許文献３に開示された技術がある。特許文献２では、多相モータを駆動するインバータの高電位電圧と中性点を接続するスイッチと、低電位端と中性点を接続するスイッチとを設け、オープン故障時にはそれぞれ半波駆動モードでインバータを運転する。特許文献３では、インバータの各半導体素子を二重化した構成が開示されている。更に、特許文献４乃至６には、１相が故障した場合においても、３相分を用いてモータとしての機能を損なわずに駆動を継続する技術が開示されている。

米国特許第６９６５２０６号 特開２００９−９５１７０号公報 特開平１０−１４２３７２号公報 特開２００９−１７７９１５号公報 特開２００４−１２０８８３号公報 特開２００８−６７４２９号公報

しかしながら、特許文献１及び３に開示された手法では、インバータを単純に二重化したシステムに過ぎないため、システムの多重化には少なくとも倍のコストを必要とする。また、特許文献１の構成では、１相が故障した場合には、モータの出力トルクが半分になってしまう。

さらに、特許文献２及び３に開示された手法では、半導体スイッチがオープンモードで故障した場合にのみ対応することができ、ショートモードで故障した場合には還流電流が流れてブレーキが発生してしまう。半導体スイッチは、ショートモードでの故障がほとんどあるため、ブレーキの発生により動作が意図せずに不安定となってしまう。

また、特許文献４乃至６に開示された手法では、５相以上の相を有するモータについて、そのうちの１相が故障した場合に、モータ駆動に利用する相の切り替えをどのような構成により行うのかについて開示されていない。

従って、本発明は、モータの駆動に関わる箇所（ＣＰＵやインバータなどの電気部品）が故障していずれかの相が故障した場合においても、簡単な構成により不安定状態を回避可能なモータ駆動システム、モータ駆動システムの制御方法、及び走行装置を提供することである。

本発明に係るモータ駆動システムは、５相以上の複数相のコイルがスター結線により接続されたモータと、前記各相コイルの一端に接続され、直流電力を交流電力に変換して前記モータの各相に供給するインバータと、前記各相コイルの他端側に配置され、かつ、前記スター結線されたコイル間に挿入された複数の接点を用いて、前記モータの複数相のコイルのうち１相以上のコイルへの供給電力を遮断可能となるように構成されたパワーリレーと、前記インバータの制御信号を生成することで、前記モータの駆動を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記モータの１相以上が故障した場合に、当該故障した相に対応する前記パワーリレーの接点を開放し、残る複数の相のうちで、略同一間隔となる３相以上の相を駆動するものである。

これにより、モータの駆動に関わる箇所（ＣＰＵやインバータなどの電気部品）が故障していずれかの相が故障した場合においても、残りの複数の相のうちで３相以上の相を利用してモータ駆動を継続することができるため、簡単な構成により不安定状態を回避することができる。

また、前記制御部は、前記モータの複数相のうち３相以上の駆動をそれぞれ制御する複数の制御部を備え、前記複数の制御部のうちいずれかが故障した場合には、故障していない他の制御部が前記モータの駆動制御を継続するようにしてもよい。これにより、システムの信頼性をより向上させることができる。

さらにまた、前記制御部は、前記モータの複数相のうちで、互いに共通して制御可能な１相以上の相を含む３相以上の駆動をそれぞれ制御する第１の制御部及び第２の制御部を備え、前記第１の制御部が故障した場合に、前記第２の制御部が前記モータの駆動制御を継続するようにしてもよい。これにより、システムの信頼性をより向上させることができる。

本発明に係る他の態様のモータ駆動システムは、５相のコイルがスター結線により接続されたモータと、前記各相コイルの一端に接続され、直流電力を交流電力に変換して前記モータの各相に供給するインバータと、前記各相コイルの他端側に配置され、かつ、前記スター結線されたコイル間に挿入された複数の接点を用いて、前記モータの５相のコイルのうち１相又は２相へのコイルへの供給電力を遮断可能となるように構成されたパワーリレーと、前記インバータの制御信号を生成することで、前記モータの駆動を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記モータの１相又は２相が故障した場合に、当該故障した相に対応する前記パワーリレーの接点を開放し、残る３相又は４相のうちで、略同一間隔となる３相の相を駆動するものである。

これにより、モータの駆動に関わる箇所（ＣＰＵやインバータなどの電気部品）が故障していずれかの相が故障した場合においても、残りの複数の相のうちで３相を利用してモータ駆動を継続することができるため、簡単な構成により不安定状態を回避することができる。

また、前記制御部は、前記モータの５相のうちで、互いに共通して制御可能な１相の相を含む３相の駆動をそれぞれ制御する第１の制御部及び第２の制御部を備え、前記第１の制御部が故障した場合に、前記第２の制御部が前記モータの駆動制御を継続するようにしてもよい。これにより、システムの信頼性をより向上させることができる。

さらにまた、前記第１の制御部及び前記第２の制御部からそれぞれ同一のインバータ制御信号が入力される論理和回路を更に備え、前記論理和回路からの出力信号と、前記第２の制御部から出力される２相分のインバータ制御信号と、が前記インバータに入力されるようにしてもよい。これにより、簡単な回路構成により、多重化されたシステムを実現することができる。

また、前記第１の制御部及び前記第２の制御部からそれぞれ入力される同一のインバータ制御信号を、前記第１の制御部及び前記第２の制御部に定められた優先度に従って選択するスイッチを更に備え、前記第１の制御部に対して前記第２の制御部よりも高い優先度が定められており、前記第１の制御部の通常動作時には、前記スイッチが選択した前記第一の制御部からの出力信号と、前記第１の制御部から出力される２相分のインバータ制御信号と、が前記インバータに入力され、前記第１の制御部の故障時には、前記スイッチが選択した前記第二の制御部からの出力信号と、前記第２の制御部から出力される２相分のインバータ制御信号と、が前記インバータに入力されるようにしてもよい。これにより、簡単な回路構成により、多重化されたシステムを実現することができる。

本発明に係るモータ駆動システムの制御方法は、前記モータ駆動システムは、５相以上の複数相のコイルがスター結線により接続されたモータと、前記各相コイルの一端に接続され、直流電力を交流電力に変換して前記モータの各相に供給するインバータと、前記各相コイルの他端側に配置され、かつ、前記スター結線されたコイル間に挿入された複数の接点を用いて、前記モータの複数相のコイルのうち１相以上のコイルへの供給電力を遮断可能となるように構成されたパワーリレーと、を備え、前記モータ駆動システムの制御方法は、前記モータの１相以上が故障した場合に、当該故障した相に対応する前記パワーリレーの接点を開放し、残る複数の相のうちで、略同一間隔となる３相以上の相を駆動するようにしてもよい。

これにより、モータの駆動に関わる箇所（ＣＰＵやインバータなどの電気部品）が故障していずれかの相が故障した場合においても、残りの複数の相のうちで３相以上を利用してモータ駆動を継続することができるため、簡単な構成により不安定状態を回避することができる。

本発明に係る走行装置は、車輪を駆動して倒立制御を行う走行装置であって、５相のコイルがスター結線により接続され、前記車輪を駆動するモータと、前記各相コイルの一端に接続され、直流電力を交流電力に変換して前記モータの各相に供給するインバータと、前記各相コイルの他端側に配置され、かつ、前記スター結線されたコイル間に挿入された複数の接点を用いて、前記モータの５相のコイルのうち１相又は２相へのコイルへの供給電力を遮断可能となるように構成されたパワーリレーと、前記インバータの制御信号を生成することで、前記モータの駆動を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記モータの１相又は２相が故障した場合に、当該故障した相に対応する前記パワーリレーの接点を開放し、残る３相又は４相のうちで、略同一間隔となる３相の相を駆動するようにしてもよい。

これにより、モータの駆動に関わる箇所（ＣＰＵやインバータなどの電気部品）が故障していずれかの相が故障した場合においても、残りの複数の相のうちで３相を利用してモータ駆動を継続することができるため、簡単な構成により不安定状態を回避することができる。

また、前記制御部は、前記モータの５相のうちで、互いに共通して制御可能な１相の相を含む３相の駆動をそれぞれ制御する第１の制御部及び第２の制御部を備え、前記第１の制御部が故障した場合に、前記第２の制御部が前記モータの駆動制御を継続するようにしてもよい。これにより、システムの信頼性をより向上させることができる。

実施の形態１に係るモータ駆動回路の構成図である。 実施の形態１に係るモータ駆動システムの構成図である。 実施の形態１に係るモータ駆動システムにおける電圧指令値の変化を例示するグラフである。 実施の形態１に係るモータ駆動システムにおける電圧指令値の変化を例示するグラフである。 実施の形態１に係るモータ駆動システムにおける電圧指令値の変化を例示するグラフである。 実施の形態１に係るモータの故障した相と駆動に使用する相との組合せを示す表である。 実施の形態１に係る故障検出のためのモータ駆動システムの構成図である。 実施の形態１に係る故障検出方法を説明するための図である。 実施の形態１に係る故障検出方法を説明するための図である。 実施の形態１に係るモータの等価回路を示す図である。 実施の形態１に係るモータの故障した相と駆動に使用する相との組合せを示す表である。 実施の形態２に係るモータ駆動システムの構成図である。 実施の形態２に係るモータの等価回路を示す図である。 実施の形態２に係る正常時のゲート信号の波形図である。 実施の形態２に係る異常時のゲート信号の波形図である。 実施の形態２に係るモータ駆動システムにおける故障箇所を説明するための図である。 実施の形態２に係るモータ駆動回路における故障箇所を説明するための図である。 実施の形態２に係るモータの等価回路における変化を説明するための図である。 実施の形態３に係るモータ駆動システムの構成図である。 実施の形態４に係る走行装置の制御システムの構成図である。 従来技術のモータ駆動システムの構成図である。

例えば、倒立制御を行いながら走行する装置では、車輪を回転させるモータを駆動することでバランス状態を維持する。このため、モータに関する電気部品が故障してその機能が停止した場合には、バランス状態を維持することができず車両が不安定状態となり、転倒するおそれがある。このため、モータに関する電気部品が１箇所でも故障した場合においても、モータの駆動が継続されることが強く要求される。このため、本発明では、モータ駆動システムにおいて、例えばモータの巻線を５相スター結線として、ベクトル制御により５相モータを駆動する構成とし、１相又は２相が故障した場合には、駆動に利用するモータの相を５相から３相へと切替える機構を採用することで、巻線を冗長化してシステムの二重化を図る。

実施の形態１．
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施の形態に係るモータ駆動回路の構成図である。
モータ駆動回路１００は、電源から直流電圧が供給される５相インバータ１０と、５相モータ２０と、パワーリレー３０と、を備えている。

５相インバータ１０は、５相（ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ）のアーム回路を備えている。各相のアーム回路は、スイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_１０を用いて構成される。例えば、ａ相アーム回路はスイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２から構成され、ｂ相アーム回路はスイッチング素子_３、Ｑ_４から構成され、ｃ相アーム回路はスイッチング素子Ｑ_５、Ｑ_６から構成され、ｄ相アーム回路はスイッチング素子Ｑ_７、Ｑ_８から構成され、ｅ相アーム回路はスイッチング素子Ｑ_９、Ｑ_１０から構成される。スイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_１０のオンオフは、後述するモータ駆動システム１０１からのスイッチング制御信号Ｓ_１〜Ｓ_１０によって制御される。

また、５相インバータ１０は、後述するモータ駆動システム１０１からのスイッチング制御信号Ｓ_１〜Ｓ_１０に応答したスイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_１０のオンオフ制御（スイッチング制御）により、直流電力から交流電力への双方向の電力変換を行なう。

尚、スイッチング素子としては、電力用ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタ、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、或いは、電力用バイポーラトランジスタ等を用いることができる。

５相モータ２０は、図示しない回転子と、固定子に設けられた５相のコイル巻線（Ｌ_ａ、Ｌ_ｂ、Ｌ_ｃ、Ｌ_ｄ、Ｌ_ｅ）と、を備えた交流モータである。例えば、コイル巻線Ｌ_ａの一端は、コイル巻線Ｌ_ｃの一端と接続され、コイル巻線Ｌ_ａの他端は、５相インバータ１０のａ相アームに接続される。尚、５相モータ２０としては、ブラシレスモータ、インダクションモータ、リラクタンスモータなどの交流モータを使用することができる。

パワーリレー３０は、５相モータ２０の各相への電力供給を制御するための、複数の接点（Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３）を備えている。これら接点（Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３）は、各コイル巻線Ｌ_ａ〜Ｌ_ｅの他端に配置され、かつ、スター結線されたコイル間に挿入されている。パワーリレー３０は、後述するモータ駆動システム１０１からの制御信号に応じて、接点Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３を、開放又は閉じることで、５相モータ２０の各相への電力供給を制御する。すなわち、パワーリレー３０は、５相モータ２０のコイル巻線Ｌのうち、１相又は２相への供給電力を遮断可能となるように構成されている。例えば、接点Ｐ_１の一端は、コイル巻線Ｌ_ａの一端及びコイル巻線Ｌ_ｃの一端に接続される。また、接点Ｐ_１の他端は、接点Ｐ_２の一端と接点Ｐ_３の一端と互いに接続される。

図２は、本実施の形態に係るモータ駆動システムの構成図である。
モータ駆動システム１０１は、制御部４０と、プリドライバ５０と、を備えている。
モータ駆動システム１０１は、モータ駆動回路１００に接続され、スイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_１０に対して、５相インバータ１０のスイッチング制御信号Ｓ_１〜Ｓ_１０を出力する。モータ駆動システム１０１は、マイクロコンピュータ（制御部４０）や、不図示のＲＡＭ（Random Access Memory)及びＲＯＭ（Read Only Memory）等を含んで構成され、所定のプログラム処理に従って、上位の電子制御ユニット（ＥＣＵ）から入力されたモータ指令に従って５相モータ２０が動作するように、５相インバータ１０のスイッチング制御信号Ｓ_１〜Ｓ_１０を生成する。

制御部４０は、電流制御器４１と、ｄｐ軸／２相座標変換部４２と、２相／５相座標変換部４３と、ＰＷＭ生成器４４と、５相／２相座標変換部４５と、２相／ｄｑ軸座標変換部４６と、を備えている。

尚、図２において、ｉ_ｄ ^＊、ｉ_ｑ ^＊は、それぞれｄ軸電流指令、ｑ軸電流指令を示す。ｖ_ｄ ^＊、ｖ_ｑ ^＊は、それぞれｄ軸電圧指令、ｑ軸電圧指令を示す。ｖ_α ^＊、ｖ_β ^＊は、それぞれα軸電圧指令、β軸電圧指令を示す。ｖ_ａ ^＊〜ｖ_ｅ ^＊は、５相モータ２０の各相のモータ電圧指令を示す。Ｇ_ａ〜Ｇ_ｅは、ＰＷＭ信号を示す。Ｓ_１〜Ｓ_１０は、５相インバータ１０のインバータゲート信号（スイッチング制御信号）を示す。ｉ_ａ〜ｉ_ｅは、５相モータ２０の各相のモータ電流を示す。ｉ_α、ｉ_βは、それぞれα軸電流、β軸電流を示す。ｉ_ｄ、ｉ_ｑは、それぞれｄ軸電流、ｑ軸電流を示す。

ここで、図１に示した５相モータ２０の等価回路方程式を、以下の式（１）〜（３）に示す。尚、式（１）は回路方程式、式（２）は誘起電圧式、式（３）はトルク式、をそれぞれ示す。また、ｖ_ａ、ｖ_ｂ、ｖ_ｃ、ｖ_ｄ、ｖ_ｅは、それぞれａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ相の電機子電圧を示す。ｉ_ａ、ｉ_ｂ、ｉ_ｃ、ｉ_ｄ、ｉ_ｅは、それぞれａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ相の電機子電流を示す。ｅ_ａ、ｅ_ｂ、ｅ_ｃ、ｅ_ｄ、ｅ_ｅは、それぞれａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ相の誘起電圧を示す。Ｒはモータ巻線抵抗を、Ｌはモータ巻線自己インダクタンスを、ｐは微分演算子を示す。ω_ｒｅはモータの電機角速度を、θ_ｒｅはモータの電機角を示す。Φ_ｆａはモータの電機子巻線鎖交磁束数の最大値を、Ｔ_ｅはモータトルクを、Ｐはモータの極対数を示す。

再び図２に戻って説明を続ける。
電流制御器４１は、ｄ軸、ｑ軸の電流指令ｉ_ｄ ^＊、ｉ_ｑ ^＊が与えられた後、算出されるｄ軸、ｑ軸の電流ｉ_ｄ、ｉ_ｑとの偏差に応じて、電流制御を行う。電流制御器４１は、ｄ軸、ｑ軸の電流指令ｉ_ｄ ^＊、ｉ_ｑ ^＊を受けて、ｄ軸、ｑ軸の電圧指令ｖ_ｄ ^＊、ｖ_ｑ ^＊を出力する。尚、ｄ軸、ｑ軸の電流指令ｉ_ｄ ^＊、ｉ_ｑ ^＊は、図示しないモータドライバから出力される。すなわち、図示しないモータドライバは、車輪の速度指令に応じたｄ軸、ｑ軸の電流指令ｉ_ｄ ^＊、ｉ_ｑ ^＊を生成する。

ｄｐ軸／２相座標変換部４２は、良く知られている以下のｄｑ座標変換式（４）を用いて、ｄ軸、ｑ軸の電圧指令ｖ_ｄ ^＊、ｖ_ｑ ^＊を、２相固定座標に変換する。これにより、ｄｐ軸／２相座標変換部４２は、α軸、β軸の電圧指令ｖ_α ^＊、ｖ_β ^＊を出力する。

２相／５相座標変換部４３は、２相固定座標の電圧指令ｖ_α ^＊、ｖ_β ^＊を、以下の変換式（５）を用いて、２相固定座標から５相固定座標の式へと変換する。これにより、２相／５相座標変換部４３は、５相モータ２０の各相のモータ電圧指令ｖ_ａ ^＊＊〜ｖ_ｅ ^＊＊を出力する。

ＰＷＭ生成器４４は、各相のモータ電圧指令ｖ_ａ ^＊＊〜ｖ_ｅ ^＊＊に基づいて、ＰＷＭ信号Ｇ_ａ〜Ｇ_ｅを生成する。

５相／２相座標変換部４５は、上記と同様にして、以下の変換式（６）を用いて、５相固定座標から２相固定座標に変換することができる。これにより、５相／２相座標変換部４５は、α軸、β軸の電流ｉ_α、ｉ_βを出力する。

そして、２相／ｄｑ軸座標変換部４６が、α軸、β軸の電流ｉ_α、ｉ_βを、ｄ軸、ｑ軸の電流ｉ_ｄ、ｉ_ｑへと変換する。このようにして、５相モータ２０の各相から検出された電流ｉ_ａ〜ｉ_ｅがフィードバックされることで、電流制御についてのフィードバック制御が行われる。従って、上述した変換を行うことで、５相モータ２０であっても、通常のベクトル制御の理論を適用して制御可能となる。

プリドライバ５０は、ＰＷＭ信号Ｇ_ａ〜Ｇ_ｅに基づいて、５相インバータ１０のインバータゲート信号Ｓ_１〜Ｓ_１０を生成する。プリドライバ５０は、制御部４０から出力されるロジックレベルのＰＷＭ信号に対してゲート容量を素早く充放電させる回路である。スイッチング素子ＱとしてのパワーＭＯＳ−ＦＥＴを高速にスイッチングさせるためには、ＭＯＳ−ＦＥＴゲートが持つ入力容量に対して、高速に充放電を行う必要がある。このため、プリドライバ５０を、制御部４０と５相インバータ１０との間に設けている。
また、３相や５相の上下ブリッジ構成を採用するＭＯＳ−ＦＥＴでは、上アームのＭＯＳ−ＦＥＴがＮチャネルの場合にスイッチングするためには、出力電圧にゲートのオン電圧を加えた電圧必要となる。このため、上アームの動作は、チャージポンプ方式や、ブートスラップ方が用いられる。

図３、４、５に、ｄ軸電圧指令ｖ_ｄ ^＊を０、ｑ軸電圧指令ｖ_ｑ ^＊を１とした場合の、各軸変換後の値を例示する。図３は、ｄ−ｑ軸電圧指令値の変化を示す図である。図４は、α−β軸電圧指令値の変化を示す図である。図５は、５相電圧指令値の変化を示す図である。

次に、５相モータ２０のうちの１相が故障した場合における、駆動システム１０１による相の切り替え動作について説明する。モータ駆動システム１０１は、スイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_１０の故障を検出する故障検出手段を備えており、検出内容に応じたパワーリレー３０の制御信号を生成する。すなわち、故障検出手段は、５相インバータ１０の各相を構成するスイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_１０から、５相モータ２０までの故障を検出する。モータ駆動システム１０１は、切り離し手段としてのパワーリレー３０を用いて、故障検出手段によって故障が検出された相について、電力供給を遮断する。

例えば、モータ駆動システム１０１は、５相インバータ１０のスイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_１０のいずれかがショートモードで故障した場合に、パワーリレー３０を用いて、故障した相を切り離す。例えば、５相モータ２０の各巻線コイルＬと、パワーリレー３０の各接点Ｐと、の接続を図１に示したように構成し、故障を検出したスイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_１０に応じて、その対応する接点Ｐ_１〜Ｐ_３を開放する。

図６に、図１に示した構成での、故障した相と駆動に使用する相との組合せを示す。例えば、ｂ相が故障した場合には、パワーリレー３０のうち接点Ｐ_２を開放する。これにより、５相モータ２０の巻線コイルＬ_ｂ及びＬ_ｅに対して電力供給が遮断され、モータ駆動システム１０１は、残りの３相のうち、ｃ、ｄ、ａ相を用いて、５相モータ２０の駆動を継続する。ここで、ある相が故障した場合における残りの複数相のうちで駆動に用いる３相は、互いの位相間隔が略同一間隔となるようにその組合せが定められている。この組合せは、故障した相と、パワーリレー３０の構成とに基づいて定められる。

スイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_１０が故障した場合に、その故障がショートモードで発生したときには、還流電流がブレーキとなることがある。これを回避するため、５相モータ２０の巻線コイルのうちで、故障箇所に対応した巻線コイルを開放する必要がある。故障箇所に対応した巻線コイルを開放し、モータ駆動に利用する相を所望の相へと切り替える構成としては、例えば、図１に示したパワーリレー３０の構成を採用することができる。これにより、パワーリレー３０の接点Ｐの個数を３個とすることができ、最小限の構成によってモータ駆動の継続に用いる相の切り替えを実現することができる。

尚、モータ駆動システム１０１による、モータの駆動に関わる箇所（ＣＰＵやインバータなどの電気部品）の故障検出方法については、公知の手法を採用すればよい。例えば、以下の手法により、スイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_１０の故障を検出することもできる。

図７乃至９を参照して、スイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_１０の故障検出方法について説明する。
例えば、図７に示すように、図１に示したモータ駆動回路１００に対して、シャント抵抗６０、７０を設ける。すなわち、電源と５相インバータ１０との間に直列にシャント抵抗６０（Ｒ_ｄｃ）を接続する。また、５相モータ２０と、パワーリレー３０との間に、シャント抵抗７０を設ける。シャント抵抗７０の各抵抗Ｒ_ｓ１〜Ｒ_ｓ５は、５相モータ２０の各巻線コイルＬ_ａ〜Ｌ_ｅに対して接続される。

図８に、シャント抵抗６０（Ｒ_ｄｃ）で検出される電流値の変化を示す。スイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_１０のうちのいずれか１つがショートモードで故障した場合には、シャント抵抗６０（Ｒ_ｄｃ）で検出される電流値は所定の閾値（電流リミット）を超える。このため、モータ駆動システム１０１は、シャント抵抗６０（Ｒ_ｄｃ）で検出される電流値が、所定の閾値を超えた場合に、スイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_１０のうちのいずれかが故障したものと判断する。

図９に、シャント抵抗７０のうちの抵抗（Ｒ_ｓ１）で検出される電流値の変化を示す。例えば、スイッチング素子Ｑ_１がオープンモードで故障した場合には、シャント抵抗７０の抵抗（Ｒ_ｓ１）で検出される電流値は所定の閾値（電流リミット）を超える。このため、モータ駆動システム１０１は、シャント抵抗７０の抵抗（Ｒ_ｓ１）で検出される電流値が、所定の閾値を超えた場合に、スイッチング素子Ｑ_１が故障したものと判断する。

上述したようにして、モータ駆動システム１０１は、５相モータ２０の相のうち１相が故障した場合においても、残りの３相分を利用して駆動を継続することができる。ここで、パワーリレー３０の構成は、図１及び図２に示した構成に限定されず、５相モータ２０の各相に対して、パワーリレーを備える構成としてもよい。すなわち、故障したスイッチング素子Ｑに関して、対応する巻線コイルに接続される１の接点のみを開放する構成としてもよい。

ここで、５相モータ２０の各相に対してパワーリレーを備えた構成を採用し、５相インバータ１０の相のうちいずれか１つの相が故障した場合のモータ駆動方法について説明する。
図１０は、５相モータ２０のモータの等価回路図である。
例えば、５相インバータ１０のスイッチング素子Ｑ_３又はＱ_４のいずれかが故障した場合には、５相モータ２０のｂ相の電機子電圧ｖ_ｂを出力することができなくなる。このため、モータ駆動システム１０１は、残りの４相のうち、例えば、ａ、ｃ、ｄの３相を利用して、５相モータ２０の駆動を継続する。
この場合、変換行列は以下の式（７）を用いて示される。

また、５相モータ２０の各相に対してパワーリレーを備えた構成を採用し、５相インバータ１０の相のうちの２つの相が故障した場合について説明する。
モータ駆動システム１０１は、１つの相と、その故障した相に対して１４４°の位相差を有する１の相と、合わせて２相分が故障した場合においても、残りの３相を利用してモータ駆動を継続することができる。
図１１に、故障した２つの相と、駆動に使用するその他の相の組合せを示す。例えば、ａ相とｃ相の２相が故障した場合には、ｂ、ｄ、ｅ相を利用してモータ駆動を継続する。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について説明する。実施の形態１と比べて、基本的な動作は上述した実施の形態１と同様であるが、実施の形態２は、２つの制御部（ＣＰＵ１、ＣＰＵ２）を用いて、５相インバータ１０、５相モータ２０、パワーリレー３０を制御する点が異なる。この構成により、いずれかの制御部が故障した場合においても、５相のうちの３相を利用してモータ駆動を継続することができ、システムの信頼性をより向上させることができる。このため、以下では、実施の形態１と異なる構成・動作を中心に説明し、上述した実施の形態と同様の構成・動作については、その詳細な説明を省略する。

図１２は、本実施の形態に係るモータ駆動システムの構成図である。
モータ駆動システム１０２は、制御部８１と、制御部８２と、論理和回路８３と、プリドライバ５０と、を備えている。尚、プリドライバ５０については、上述した実施の形態１と同様の構成・動作であるため、その詳細な説明を省略する。

モータ駆動システム１０２は、所定のプログラム処理に従って、上位の電子制御ユニット（ＥＣＵ）から入力されたモータ指令に従って５相モータ２０が動作するように、５相インバータ１０の制御信号Ｓ_１〜Ｓ_１０を生成する。
また、モータ駆動システム１０２は、スイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_１０の故障を検出し、検出内容に応じたパワーリレー３０の制御信号を生成する。

制御部８１から出力されるＰＷＭ信号Ｇ_ａ、Ｇ_ｄは、プリドライバ５１、５２にそれぞれ入力される。プリドライバ５１は、ＰＷＭ信号Ｇ_ａから、インバータゲート信号Ｓ_１、Ｓ_２を生成する。プリドライバ５２は、ＰＷＭ信号Ｇ_ｄから、インバータゲート信号Ｓ_７、Ｓ_８を生成する。

制御部８２から出力されるＰＷＭ信号Ｇ_ｂ、Ｇ_ｅは、プリドライバ５４、５５にそれぞれ入力される。プリドライバ５４、５５は、ＰＷＭ信号Ｇ_ｂ、Ｇ_ｅから、インバータゲート信号Ｓ_３、Ｓ_４、Ｓ_９、Ｓ_１０をそれぞれ生成する。

制御部８１から出力されるＰＷＭ信号Ｇ_ｃ１と、制御部８２から出力されるＰＷＭ信号Ｇ_ｃ２とが、論理和回路８３に入力される。論理和回路８３の出力信号Ｇ_ｃは、プリドライバ５３に入力される。プリドライバ５３は、信号Ｇ_ｃから、インバータゲート信号Ｓ_５、Ｓ_６を生成する。

このように本実施の形態では、２つの制御部８１、８２と、これら制御部からの出力信号が入力される論理和回路８３と、を備え、特定の１相を制御するためのインバータゲート信号を、２つの制御部８１、８２から共通して取得している。これにより、片方の制御部が故障した場合においても、もう片方の制御部のみにより３相分のモータ駆動制御を継続することができる。例えば、制御部８２が故障した場合には、制御部８１側のみが動作を継続することができるため、ＰＷＭ信号Ｇ_ａ、Ｇ_ｄ、Ｇ_ｃ１に基づいて、ａ、ｃ、ｄの３相を利用してモータ駆動を継続することができる。
図１３は、制御部８２が故障した場合の、５相モータ２０の等価回路図である。

図１４に、正常時における、ｃ相に関する各ゲート信号の波形を示す。制御部８１、８２の両方が正常に動作している場合には、制御部８１から出力されるＰＷＭ信号Ｇ_ｃ１と、制御部８２から出力されるＰＷＭ信号Ｇ_ｃ２とは同一波形となる。そして、これら信号の論理和である論理和回路８３の出力信号Ｇ_ｃについても、これらと同じ波形が出力される。

図１５に、異常時における、ｃ相に関する各ゲート信号の波形を示す。例えば制御部８２のみが故障した場合において、制御部８１が正常に動作しているときには、故障した制御部８２からのＰＷＭ信号Ｇ_ｃ２は常にロー出力となる。この場合、ＰＷＭ信号Ｇ_ｃ１とＧ_ｃ２の論理和信号Ｇ_ｃとしては、正常に動作している制御部８１の指令値が出力される。ただし、ここでは、故障した制御部は、ロー出力の信号を出力するように回路が構成されている。

尚、例えば図１６に示すように、論理和回路８３及びプリドライバ５３のいずれかが故障した場合には、残り４相のうちの３相を利用して、モータ駆動を継続させるようにしてもよい。すなわち、正常に動作している制御部８１からのインバータゲート信号Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４と、制御部８２からのインバータゲート信号Ｓ_７、Ｓ_８、Ｓ_９、Ｓ_１０と、のうちの３相を用いて、モータ駆動を継続するようにしてもよい。例えば、図１７の等価回路及び図１８の駆動回路に示すように、ｂ、ｄ、ｅ相を用いてモータ駆動を継続することができる。

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について説明する。実施の形態３は、図１９に示すように、実施の形態２と比べて、論理和回路に代えてスイッチ８４（ＳＷ）を備えている。モータ駆動システム１０２が、制御部８１、８２の故障に応じてスイッチ８４を切替えることで、正常な制御部からの出力信号がプリドライバ５３に出力される。

スイッチ８４の切り替え手法については、様々な手法を採用することができる。例えば、制御部８１、８２に優先度をそれぞれ定め、スイッチ８４は、優先度に応じて設定されるイネーブル信号に基づき、優先度の高い制御部からの信号を選択する。優先度の高い制御部が故障した場合には、イネーブル信号の出力レベルが変更され、スイッチ８４は、他の制御部からの信号を受取るように切り替わる。

実施の形態４．
次に、本発明の実施の形態４について説明する。実施の形態４では、上述した実施の形態に係るモータ駆動システムを、走行装置に適用した例を説明する。尚、５相インバータ、５相モータ、パワーリレー、モータ駆動システムなどの構成は上述した実施の形態と同一であるため、以下では、その詳細な説明を省略する。

走行装置は、例えば、立ち乗り型の同軸二輪車に適用されているが、これに限らず、例えば、車椅子型の車両にも適用可能であり、倒立制御を行う任意の車両に適用可能である。走行装置は、車両本体と、左右の駆動輪と、左右の駆動輪をそれぞれ駆動する車輪駆動ユニットと、制御装置と、を備えている。車両本体の上面には、搭乗者が搭乗するステップが設けられている。左右の駆動輪には、各駆動輪の車輪速度を検出する車輪速度センサが夫々配設されている。車輪速度センサは、検出した各駆動輪の車輪速度を、制御装置に対して供給する。

車両本体には、車輪駆動ユニットが内蔵されている。車輪駆動ユニットは、一対の駆動輪を独立して回転駆動することができる。各車輪駆動ユニットは、例えば、車輪駆動モータと、その車輪駆動モータの回転軸に動力伝達可能に連結された減速ギアと、によって構成することができる。また、車両本体には、車両本体及び搭乗者の傾斜角度を検出するための傾斜センサと、一対の車輪駆動ユニットを駆動制御するための制御信号を出力する制御装置と、が設けられている。

図２０は、走行装置の制御システムの構成図である。
図に示すように、制御システム２００は、制御装置２１０と、サーボアンプ２２０Ｌ、２２０Ｒと、車輪駆動モータ２３０Ｌ、２３０Ｒと、エンコーダ２４０Ｌ、２４０Ｒと、ポテンショメータ２５０と、ジャイロセンサ２６０と、加速度センサ２７０と、を備えている。制御装置２１０は、例えば、マイクロコンピュータ（ＣＰＵ）や、ＲＡＭ、ＲＯＭ等の記憶装置などから構成される。

制御装置２１０には、バッテリー（不図示）と一対のサーボアンプ２２０Ｌ、２２０Ｒとが接続されている。サーボアンプ２２０Ｌ、２２０Ｒは、一対の車輪駆動モータ２３０Ｌ、２３０Ｒの回転速度や回転方向等を独立して制御する。これらサーボアンプ２２０Ｌ、２２０Ｒは、モータドライバ及び上述したモータ駆動システムを含み、速度指令値に応じた制御信号を、一対の車輪駆動モータ２３０Ｌ、２３０Ｒへと出力する。

傾斜センサは、例えば、走行装置の走行時における車両本体及び搭乗者の傾斜角度（ピッチ角度）を検出することができる。また、傾斜センサは、例えば、ステップの回転角度を検出するポテンショメータ２５０と、車両本体の傾斜角を検出するジャイロセンサ２６０と、車両の加速度を検出する加速度センサ２７０などにより構成されている。例えば、車両本体及び搭乗者を前方または後方に傾斜させると、車両本体のステップが同方向へ傾斜することになり、この傾斜センサは、かかる傾斜に対応した傾斜角度を検出することができる。そして、制御装置２１０は、傾斜センサにより検出された車両本体及び搭乗者の傾斜角度に基づいて、車両本体及び搭乗者の傾斜方向へと走行装置が移動するように、サーボアンプ２２０Ｌ、２２０Ｒを駆動制御する。

その他の実施の形態．
上述した実施の形態においては、５相モータの場合を例に説明したが本発明はこれに限定されず、５相以上の複数相を備えるモータであってもよい。この場合には、パワーリレーは、５相以上のコイルのうち１相以上のコイルへの供給電力を遮断可能となるように構成される。そして、モータ駆動システムは、モータの複数相のうちで１相以上が故障した場合には、その故障した相に対応するパワーリレーの接点を開放し、残る複数の相のうちで、略同一間隔となる３相以上の相を駆動することで、モータ駆動を継続する。
また、上述した実施の形態２においては、２つの制御部（ＣＰＵ１、ＣＰＵ２）を用いて、インバータ、モータ、パワーリレーを制御するものとして説明したが本発明はこれに限定されず、２以上の複数のＣＰＵを用いて制御してもよい。この場合には、複数のＣＰＵは、互いに重複しない３相以上の駆動をそれぞれ制御するものとしてもよい。また、互いに共通して制御可能な１相以上の相を含む３相以上の駆動をそれぞれ制御するものとしてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、システムの冗長性を確保するという観点から、５相のモータを備え、いずれかの相が故障した場合には、パワーリレーを用いて、モータ駆動を５相から３相へと切り替え可能な構成とした。さらに、２つ以上の制御部を用いて複数相のモータ駆動制御を行うことで、制御部自体が故障した場合においても、モータ駆動を継続可能な構成とした。

なお、本発明は上述した実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

本発明は、例えば、モータ駆動システム、モータ駆動システムの制御方法、及び走行装置に利用できる。

１００ モータ駆動回路、
１０ ５相インバータ、
２０ ５相モータ、
３０ パワーリレー、
１０１ モータ駆動システム、
２０ 制御部、
５０ プリドライバ、
４１ 電流制御器、
４２ ｄｐ軸／２相座標変換部、
４３ ２相／５相座標変換部、
４４ ＰＷＭ生成器、
４５ ５相／２相座標変換部、
４６ ２相／ｄｑ軸座標変換部、
６０、７０ シャント抵抗、
１０２ モータ駆動システム、
８１、８２ 制御部、
８３ 論理和回路、
５１〜５５ プリドライバ、
１０３ モータ駆動システム、
８４ スイッチ（ＳＷ）、
２００ 制御システム、
２１０ 制御装置（ＣＰＵ）、
２２０Ｌ、２２０Ｒ サーボアンプ、
２３０Ｌ、２３０Ｒ 左右輪モータ、
２４０Ｌ、２４０Ｒ エンコーダ、
２５０ ポテンショメータ、
２６０ ジャイロセンサ、
２７０ 加速度センサ、
５１０、５２０ モータ、
５３０、５４０ インバータ、

Claims (10)

1. ５相以上の複数相のコイルを有し、当該複数相のコイルのうち、互いに位相が隣接しない第１相のコイルと第２相のコイルとが接続され、互いに位相が隣接しない第３相のコイルと第４相のコイルとが接続され、前記第１相のコイルと前記第２相のコイルとが接続されたものと、前記第３相のコイルと前記第４相のコイルとが接続されたものと、第５相のコイルと、がスター結線により接続されたモータと、
   前記各相コイルの一端に接続され、直流電力を交流電力に変換して前記モータの各相に供給するインバータと、
   前記第１相のコイルと前記第２相のコイルとが接続された端部と、前記スター結線の中性点の間に挿入された第１の接点と、前記第３相のコイルと前記第４相のコイルとが接続された端部と、前記スター結線の中性点の間に挿入された第２の接点と、前記第５相のコイルの端部と、前記スター結線の中性点の間に挿入された第３の接点と、を用いて、前記モータの複数相のコイルのうち１相以上のコイルへの供給電力を遮断可能となるように構成されたパワーリレーと、
   前記インバータの制御信号を生成することで、前記モータの駆動を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記モータの１相以上が故障した場合に、当該故障した相に対応する前記パワーリレーの接点を開放し、残る複数の相のうちで、略同一間隔となる３相以上の相を駆動する
   ことを特徴とするモータ駆動システム。
2. 前記制御部は、
   前記モータの複数相のうち３相以上の駆動をそれぞれ制御する複数の制御部を備え、
   前記複数の制御部のうちいずれかが故障した場合には、故障していない他の制御部が前記モータの駆動制御を継続する
   ことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動システム。
3. 前記制御部は、
   前記モータの複数相のうちで、互いに共通して制御可能な１相以上の相を含む３相以上の駆動をそれぞれ制御する第１の制御部及び第２の制御部を備え、
   前記第１の制御部が故障した場合に、前記第２の制御部が前記モータの駆動制御を継続する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ駆動システム。
4. ５相のコイルを有し、当該５相のコイルのうち、互いに位相が隣接しない第１相のコイルと第２相のコイルとが接続され、互いに位相が隣接しない第３相のコイルと第４相のコイルとが接続され、前記第１相のコイルと前記第２相のコイルとが接続されたものと、前記第３相のコイルと前記第４相のコイルとが接続されたものと、第５相のコイルと、がスター結線により接続されたモータと、
   前記各相コイルの一端に接続され、直流電力を交流電力に変換して前記モータの各相に供給するインバータと、
   前記第１相のコイルと前記第２相のコイルとが接続された端部と、前記スター結線の中性点の間に挿入された第１の接点と、前記第３相のコイルと前記第４相のコイルとが接続された端部と、前記スター結線の中性点の間に挿入された第２の接点と、前記第５相のコイルの端部と、前記スター結線の中性点の間に挿入された第３の接点と、を用いて、前記モータの５相のコイルのうち１相又は２相へのコイルへの供給電力を遮断可能となるように構成されたパワーリレーと、
   前記インバータの制御信号を生成することで、前記モータの駆動を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記モータの１相又は２相が故障した場合に、当該故障した相に対応する前記パワーリレーの接点を開放し、残る３相又は４相のうちで、略同一間隔となる３相の相を駆動する
   ことを特徴とするモータ駆動システム。
5. 前記制御部は、
   前記モータの５相のうちで、互いに共通して制御可能な１相の相を含む３相の駆動をそれぞれ制御する第１の制御部及び第２の制御部を備え、
   前記第１の制御部が故障した場合に、前記第２の制御部が前記モータの駆動制御を継続する
   ことを特徴とする請求項４に記載のモータ駆動システム。
6. 前記第１の制御部及び前記第２の制御部からそれぞれ同一のインバータ制御信号が入力される論理和回路を更に備え、
   前記論理和回路からの出力信号と、前記第２の制御部から出力される２相分のインバータ制御信号と、が前記インバータに入力される
   ことを特徴とする請求項５に記載のモータ駆動システム。
7. 前記第１の制御部及び前記第２の制御部からそれぞれ入力される同一のインバータ制御信号を、前記第１の制御部及び前記第２の制御部に定められた優先度に従って選択するスイッチを更に備え、
   前記第１の制御部に対して前記第２の制御部よりも高い優先度が定められており、
   前記第１の制御部の通常動作時には、前記スイッチが選択した前記第一の制御部からの出力信号と、前記第１の制御部から出力される２相分のインバータ制御信号と、が前記インバータに入力され、
   前記第１の制御部の故障時には、前記スイッチが選択した前記第二の制御部からの出力信号と、前記第２の制御部から出力される２相分のインバータ制御信号と、が前記インバータに入力される
   ことを特徴とする請求項５に記載のモータ駆動システム。
8. モータ駆動システムの制御方法であって、
   前記モータ駆動システムは、
   ５相以上の複数相のコイルを有し、当該複数相のコイルのうち、互いに位相が隣接しない第１相のコイルと第２相のコイルとが接続され、互いに位相が隣接しない第３相のコイルと第４相のコイルとが接続され、前記第１相のコイルと前記第２相のコイルとが接続されたものと、前記第３相のコイルと前記第４相のコイルとが接続されたものと、第５相のコイルと、がスター結線により接続されたモータと、
   前記各相コイルの一端に接続され、直流電力を交流電力に変換して前記モータの各相に供給するインバータと、
   前記第１相のコイルと前記第２相のコイルとが接続された端部と、前記スター結線の中性点の間に挿入された第１の接点と、前記第３相のコイルと前記第４相のコイルとが接続された端部と、前記スター結線の中性点の間に挿入された第２の接点と、前記第５相のコイルの端部と、前記スター結線の中性点の間に挿入された第３の接点と、を用いて、前記モータの複数相のコイルのうち１相以上のコイルへの供給電力を遮断可能となるように構成されたパワーリレーと、を備え、
   前記モータ駆動システムの制御方法は、
   前記モータの１相以上が故障した場合に、当該故障した相に対応する前記パワーリレーの接点を開放し、残る複数の相のうちで、略同一間隔となる３相以上の相を駆動する
   ことを特徴とするモータ駆動システムの制御方法。
9. 車輪を駆動して倒立制御を行う走行装置であって、
   ５相のコイルを有し、当該５相のコイルのうち、互いに位相が隣接しない第１相のコイルと第２相のコイルとが接続され、互いに位相が隣接しない第３相のコイルと第４相のコイルとが接続され、前記第１相のコイルと前記第２相のコイルとが接続されたものと、前記第３相のコイルと前記第４相のコイルとが接続されたものと、第５相のコイルと、がスター結線により接続され、前記車輪を駆動するモータと、
   前記各相コイルの一端に接続され、直流電力を交流電力に変換して前記モータの各相に供給するインバータと、
   前記第１相のコイルと前記第２相のコイルとが接続された端部と、前記スター結線の中性点の間に挿入された第１の接点と、前記第３相のコイルと前記第４相のコイルとが接続された端部と、前記スター結線の中性点の間に挿入された第２の接点と、前記第５相のコイルの端部と、前記スター結線の中性点の間に挿入された第３の接点と、を用いて、前記モータの５相のコイルのうち１相又は２相へのコイルへの供給電力を遮断可能となるように構成されたパワーリレーと、
   前記インバータの制御信号を生成することで、前記モータの駆動を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記モータの１相又は２相が故障した場合に、当該故障した相に対応する前記パワーリレーの接点を開放し、残る３相又は４相のうちで、略同一間隔となる３相の相を駆動する
   ことを特徴とする走行装置。
10. 前記制御部は、
    前記モータの５相のうちで、互いに共通して制御可能な１相の相を含む３相の駆動をそれぞれ制御する第１の制御部及び第２の制御部を備え、
    前記第１の制御部が故障した場合に、前記第２の制御部が前記モータの駆動制御を継続する
    ことを特徴とする請求項９に記載の走行装置。

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