JP5590076B2 - 多相回転機の制御装置 - Google Patents
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Description
多系統の電力変換器は、複数組の巻線組の各相に対応する複数のスイッチング素子からなるレッグを有し、複数組の巻線組に交流電流を供給する。
故障検出手段は、電力変換器または巻線組について、多相回転機にブレーキ電流が流れる故障を検出する。
制御部は、電力変換器の駆動に係るd軸電流及びq軸電流を指令し、電力変換器の出力を制御する。d軸電流は磁束の向きに平行な電流であり、q軸電流はd軸と直交する方向の電流である。
このように正常系統にd軸電流を流すことで、故障系統に流れる電流を抑制することができる。よって、故障系統に流れる電流に起因する発熱やトルクリップルを軽減することができる。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態について、図1〜図9を参照して説明する。
アクチュエータ2は、操舵アシストトルクを発生する「多相回転機」としてのモータ80と、モータ80を駆動する「制御装置」としてのECU10とから構成される。本実施形態のモータ80は3相ブラシレスモータであり、減速ギア89を正逆回転させる。
ECU10は、制御部65、及び、制御部65の指令に従ってモータ80への電力供給を制御する「電力変換器」としてのインバータ60を含む。
回転角センサ85は、モータ80の回転角θを検出すると共に、単位時間当たりの回転角θの変化量である回転角速度ωを検出する。
第1巻線組801は、U、V、W相の3相巻線811、812、813から構成され、第2巻線組802は、U、V、W相の3相巻線821、822、823から構成される。ここで、第1巻線組801および第2巻線組802は、電気的には結合されていないが、モータ80が構成する磁気回路により磁気的には結合されている。2つの巻線組801、802間の「磁気的な結合」について、詳しくは後述する。また、本実施形態のモータ80は、非突極型のSPMSM(表面磁石同期モータ)で構成されているものとする。
バッテリ51は、例えば12Vの直流電源である。電源リレー521、522は、バッテリ51からインバータ601、602への電力供給を系統毎に遮断可能である。
コンデンサ53は、バッテリ51と並列に接続され、電荷を蓄え、インバータ601、602への電力供給を補助したり、サージ電流などのノイズ成分を抑制したりする。
各相の上MOSと下MOSとの組は「レッグ」を構成する。各相のレッグの高電位側は上母線Lpを経由して、バッテリ51の正極側に接続されている。各相のレッグの低電位側は下母線Lgを経由して、バッテリ51の負極側に接続されている。
電流検出素子711、712、713は、それぞれ、第1系統U、V、W相の巻線811、812、813に通電される相電流を検出する。また、第1系統インバータ601の上母線Lpと下母線Lgとの間の所定分圧によって、入力電圧Vr1が検出される。
制御部65は、マイコン67、駆動回路(プリドライバ)68等で構成される。マイコン67は、トルク信号、回転角信号等の入力信号に基づき、制御に係る各演算値を制御演算する。駆動回路は、MOS611〜616、621〜626のゲートに接続され、マイコン67の制御に基づいてスイッチング出力する。
本実施形態による3相ブラシレスモータは、mを自然数とすると、ステータ84のコイル数が(12×m)であり、ロータ83の永久磁石87の極数が(2×m)であることを特徴とする。図3は、m=2の例を示す。なお、mは2以外の自然数であってもよい。
これにより、U相を例に取ると、第2巻線組802を構成するU2コイル821の周方向の配置は、第1巻線組801を構成するU1コイル811に対し、電気角30°に相当する角度だけ進んだ位置関係になる。よって、第2巻線組802に供給する3相交流電流の位相を、第1巻線組801に供給する3相交流電流の位相に対して30°進めることが可能となる。また、2組の巻線組801、802に供給する3相交流電流の振幅は互いに同一とする。
制御部65は、第1系統、第2系統のそれぞれについて、電流指令値演算手段151、152、3相2相変換手段251、252、制御器301、302、2相3相変換手段351、352、及び故障検出手段751、752を含む。
ここで、d軸電流指令値Id1*、Id2*は、磁束の向きに平行なd軸電流(励磁電流もしくは界磁電流)についての電流指令値であり、q軸電流指令値Iq1*、Iq2*は、d軸と直交するq軸電流(トルク電流)についての電流指令値である。
第1系統の3相2相変換部251は、回転角センサ85からフィードバックされた回転角θに基づき、電流検出器701が検出した3相の相電流検出値Iu1、Iv1、Iw1を、d軸電流検出値Id1およびq軸電流検出値Iq1に変換する。
第2系統の3相2相変換部252は、回転角(θ+30°)に基づき、電流検出器702が検出した3相の相電流検出値Iu2、Iv2、Iw2を、d軸電流検出値Id2およびq軸電流検出値Iq2に変換する。
第2系統の制御器302の構成は、第1系統と同様である。
第2系統の2相3相変換部352は、回転角(θ+30°)に基づき、2相の電圧指令値Vd2、Vq2をU相、V相、W相の3相電圧指令値Vu2、Vv2、Vw2に変換して第2系統インバータ602に出力する。
これらのショート故障等の類型を、図5を参照して説明する。図5では、第1系統のインバータ601又は巻線組801で故障が発生したものとする。
図5(c)に示す故障例Fex5、Fex6は、巻線組801の巻線同士が端末以外で導通状態となる内部ショート故障である。
このような故障が発生すると相電流検出値が異常値となるため、故障検出手段751、752は、相電流検出値が異常値であることからショート故障を検出し、且つ、いずれの系統でショート故障が発生したかを特定する。
ここでは、第1系統のインバータ601のU相MOS611がショート故障し、第2系統が正常である場合を仮定して説明する(図4参照)。すると、第1系統の故障検出手段751は、電流検出器701によって検出された相電流検出値Iu1、Iv1、Iw1に基づいて、第1系統でショート故障が発生したことを検出する。
故障検出手段751は、ショート故障を検出すると、故障した第1系統インバータ601の駆動を停止するべく、電流指令値を0にするか、或いは、全てのMOSをオフする。又は、インバータ601の上母線Lpに設けられる電源リレー521を遮断してもよい。
また、第1系統のインバータ601及び巻線組801に流れる電流に起因して、発熱やトルクリップルが発生するおそれがある。
図6に示すように、第1系統U相上MOS611がショート故障したと仮定する。V相上MOS612、W相上MOS613、及び各相下MOS614〜616は正常である。このとき、逆起電圧によって発生した電流は、<1>V相、W相の巻線812、813、<2>V相上MOS612、W相上MOS613の寄生ダイオード、<3>ショート故障したU相上MOS611、<4>U相巻線811の順に流れる。
(例えば特開2003−153585号参照)。
このモデルで、第1系統の各相についての磁束λは、式1のように表される。式1で、LU、LV、LWは各相の自己インダクタンスであり、M**は同一系統内での相間、及び第1系統と第2系統との間での相間の相互インダクタンスである。Iは相電流、φ0は電機子鎖交磁束数である。
MUV=bL’cos(120)=−(1/2)bL’
となり、MUWは、U相を基準としたW相の位相が−120であるから、
MUW=bL’cos(−120)=−(1/2)bL’
となる。
MUA=aL’cos(−30)=(√3/2)aL’
となり、MUBは、U相を基準としたB相の位相が+90であるから、
MUB=aL’cos(90)=0
となり、MUCは、U相を基準としたC相の位相が−150であるから、
MUC=aL’cos(−150)=−(√3/2)aL’
となる。
式5を時間微分した式に、抵抗Rと電流Iとの積の項を加えると式6が導かれる。
Xθ(t)・{I(t)}’={Xθ(t)・I(t)}’
−{Xθ(t)}’・I(t)
の関係から、式11のように計算することができる。計算の後段で回転行列Xθの第1行と第2行の行ベクトルとを入れ替えた形の回転行列が現れるため、式11の第2項には、式9.1のId1とIq1とを入れ替えた列ベクトルが含まれることとなる。
L’+(1/2)bL’=L
(3/2)aL’=M
(3/2)φ0=Ke
Vq1=R×Iq1+Ls×Iq1+ω×L×Id1+Ms×Iq2+ω×M×Id2
+ω×Ke ・・・(17)
Vd1=R×Id1+Ls×Id1−ω×L×Iq1+Ms×Id2−ω×M×Iq2
・・・(18)
式17、18に対応する等価回路を図8(a)、(b)に示す。
Iq1={Ms×Iq2+ω×(M×Id2+Ke)}/(R+Ls)
・・・(19.1)
さらに、過渡特性であるMs項を無視すれば、式19.2が得られる。
Iq1≒(ω×M×Id2+ω×Ke)/(R+Ls) ・・・(19.2)
Id1=(Ms×Id2−ω×M×Iq2)/(R+Ls) ・・・(20.1)
さらに、過渡特性であるMs項を無視すれば、式20.2が得られる。
Id1≒(−ω×M×Iq2)/(R+Ls) ・・・(20.2)
そこで、図4に示すように、故障検出手段751が第1系統インバータ601又は巻線組801の故障を検出したとき、制御部65は、第1系統に流れる電流を低減するように第2系統インバータ602への電流指令を制御する。具体的には、式19.2の「ω×Ke」項を減らすべく、電流指令値Id2*に対してd軸電流補正部202にて負のd軸電流Id2を補正指令する。ここで、式20.2に係るq軸電流Iq2については、モータ80のトルクに影響を及ぼす可能性があるため原則として変更しないものとする。
なお、d軸電流補正部202は、図4のように独立した構成に限らず、例えば電流指令値演算手段152の内部に包括されてもよい。
すなわち、図4に破線で示すように、故障検出手段752が第2系統の故障を検出した場合は、第1系統の電流指令値Id1*に対してd軸電流補正部201にて負のd軸電流Id1を補正指令する。
また、車両において運転者の操舵を補助するための電動パワーステアリング装置では、できる限り安定した駆動を継続することが要求されるため、本実施形態のECU10は、電動パワーステアリング装置1に特に有効に適用される。
(第2実施形態)
図10に示す第2実施形態では、第1実施形態と同様に、モータ80の回転角速度ωに応じたd軸電流を指令する。回転角速度ωが所定閾値ωo未満のときは正常系統d軸電流Id2をゼロとし、回転角速度ωが所定閾値ωoを超えたときは、負の一定値であるd軸電流(−Idconst)を流す。すなわち、正常系統d軸電流Id2を回転角速度ωに対しステップ状に変化させる。
また第2実施形態の変形例として、複数の回転角速度閾値を設定し、回転角速度ωが各閾値を超える毎に、正常系統d軸電流Id2を多段ステップ状に変化させてもよい。
第3実施形態では、正常系統d軸電流Id2を式21のように設定することで、回転角速度ωに関わらず、式19.2の分母をゼロとする。
Id2=−Ke/M ・・・(21)
このように、モータ80の回転角速度ωとは関係なく、正常系統d軸電流Id2を設定してもよい。
(ア)「多相回転機」としてのモータは、上記実施形態のSPMSMに限らず、IPMSM(埋込磁石同期モータ)等の突極型モータを用いてもよい。SPMSMが比較的高トルク低回転出力に適しているのに対し、IPMSMは、比較的低トルク高回転出力に適している。IPMSMを用いる場合は、d軸とq軸との自己インダクタンスLd、Lq及び相互インダクタンスMd、Mqがそれぞれ異なる(Ld≠Lq、Md≠Mq)ため、上記の数式に対し、d軸項とq軸項とを区別して展開する必要がある。しかし、結論としての「正常系統にd軸電流を流す」という点は、SPMSMを用いる場合と同様である。
(イ)制御装置(ECU)の具体的な構成は、上記実施形態の図1、図4の構成に限らない。例えばスイッチング素子は、MOSFET以外の電界効果トランジスタやIGBT等であってもよい。
系統数、すなわち電力変換器及び巻線組の数が3系統以上の場合、故障系統以外の正常系統が2系統以上存在することとなる。制御装置は、その全ての正常系統について、上記実施形態と同様にd軸電流を流すように指令すればよい。
また「磁束の向きに平行なd軸電流」は、4相以上の場合でも3相と同様に定義することができる。例えば4相の場合、dq変換の回転行列の要素は、(θ±n×90°)の三角関数で構成される。
一般化すると、系統間の電流位相差が(30±60×n)°(nは整数)であれば、上述の式3、7.2、12等に対し符号が異なる程度の類似の式によって式16を導出することができる。なお、3系統以上の多系統では、多系統中の任意の2系統間についてこの位相差に該当する場合に同様の結論が得られる。
以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。
601、602 ・・・インバータ(電力変換器)、
65 ・・・制御部、
751、752 ・・・故障検出手段、
80 ・・・モータ(多相回転機、3相回転機)、
801、802 ・・・巻線組。
Claims (5)
- 互いに磁気的に結合する複数組の多相の巻線組(801、802)を有する多相回転機(80)の駆動を制御する制御装置であって、
複数組の前記巻線組の各相に対応する複数のスイッチング素子からなるレッグを有し、複数組の前記巻線組に交流電流を供給する多系統の電力変換器(601、602)と、
前記電力変換器または前記巻線組について、前記多相回転機にブレーキ電流が流れる故障を検出する故障検出手段(751、752)と、
前記電力変換器の駆動に係るd軸電流及びq軸電流を指令し、前記電力変換器の出力を制御する制御部(65)と、
を備え、
前記制御部は、
前記故障検出手段によっていずれかの系統の前記電力変換器または対応する前記巻線組の故障が検出されたとき、故障系統の前記電力変換器の駆動を停止し、
且つ、前記故障系統以外の正常系統の前記電力変換器の出力について、前記正常系統の前記巻線組と前記故障系統の前記巻線組との磁気的な結合により前記故障系統の前記巻線組に発生する逆起電圧を低減することで、前記故障系統に流れる電流を低減するようにd軸電流を指令することを特徴とする多相回転機の制御装置。 - 前記制御部は、
前記故障検出手段によっていずれかの系統の前記電力変換器または対応する前記巻線組の故障が検出されたとき、前記正常系統の前記電力変換器の出力について、前記多相回転機の回転角速度に応じたd軸電流を指令することを特徴とする請求項1に記載の多相回転機の制御装置。 - 互いに磁気的に結合する2組の3相巻線組(801、802)を有する3相回転機(80)の駆動を制御する請求項1または2に記載の多相回転機の制御装置であって、
2系統の前記電力変換器(601、602)は、振幅が互いに同一であり、互いの位相差が(30±60×n(nは整数))°である交流電流を2組の前記巻線組に供給することを特徴とする多相回転機の制御装置。 - 前記故障検出手段は、いずれかの系統において、前記レッグの高電位側に接続する上母線、又は前記レッグの低電位側に接続する下母線と、いずれかの相の巻線とが導通状態となる故障を検出することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の多相回転機の制御装置。
- 運転者の操舵を補助するためのアシストトルクを発生する多相回転機と、
請求項1〜4のいずれか一項に記載の多相回転機の制御装置と、
前記多相回転機の回転をステアリングシャフトに伝達する動力伝達手段(89)と、
を備えた電動パワーステアリング装置(1)。
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