JP5826292B2 - モータ制御装置および電動パワーステアリング装置 - Google Patents

モータ制御装置および電動パワーステアリング装置 Download PDF

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Description

この発明は、複数組の巻線を備えた多相モータを制御するモータ制御装置、およびこのモータ制御装置を用いた電動パワーステアリング装置に関するものである。
従来のモータ制御装置の例として、例えば、下記特許文献１（国際公開ＷＯ２００７／１２９３５９号公報）に記載のものがある。この特許文献１に記載のものは、巻線やインバータは１組のみで構成されており、巻線やインバータに短絡故障が発生した場合に、故障状態に適した異常時電流制御手段に制御方式を切替えて制御を継続することにより、短絡経路を流れる電流により生じるブレーキトルクを低減してトルク脈動を抑制する。
また、特許文献２（特開２０１１−７８２３０号公報）に記載のものは、巻線やインバータがそれぞれ２組で構成されており、インバータのスイッチング素子がショート故障した場合、この故障に対してモータの回転駆動に逆らうブレ−キトルクを打ち消す、またはモータの回転駆動への影響を低減するように、故障していない系統で制御を補正することが示されている。
国際公開ＷＯ２００７／１２９３５９号公報 特開２０１１−７８２３０号公報
前記特許文献１に記載された例では、単一の巻線とインバータしか持たず、非常に低コストではあるが、短絡故障が発生すると、要求のトルクと同じ向き、すなわち正のトルクを発生できるモータ回転角度が３６０度中およそ３００度であり、ブレーキトルクの抑制やトルク脈動の抑制はコストに見合ったレベルではできているものの、十分ではなく、また、十分な出力トルクを得ることもできないという問題点があった。
また、前記特許文献２に記載された例では、その図７に、インバータ上側スイッチング素子の短絡故障時、または巻線またはインバータと巻線を繋ぐ配線が電源と短絡する故障時（すなわち、天絡時）における相電流とモータのトルクの波形が示されている。
このようなブレーキトルクが発生するため、正常側トルクでこれを補正するために逆の特性を加えるような制御を行っていた。
そのため、トルクの変動は小さくなり、ドライバは、故障を認識し難いという問題点があった。
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、モータの巻線の故障またはインバータの故障（例えば、スイッチング素子の短絡故障、または、1相の巻線、もしくはインバータと巻線を繋ぐ配線の天絡、地絡故障、または、２相間の短絡故障など）が発生した場合に、トルクの脈動を際立たせて、ユーザに故障発生を確実に認知させることができるモータ制御装置を提供することを目的としている。
この発明に係るモータ制御装置は、複数の巻線組を備えたモータを制御するモータ制御装置であって、前記複数の巻線組の各相に印加する電圧を制御するスイッチング素子を各相に有する複数のインバータと、前記モータが発生するトルクの目標値に相当する総合トルク電流要求値に応じて前記各インバータに前記各相に印加する電圧に対応する電圧指令を与えて前記複数の巻線組に流す電流を制御する電流制御手段と、前記スイッチング素子の短絡故障、または前記インバータもしくは前記複数の巻線組が地絡もしくは天絡する故障を検知する故障検知手段を備えており、前記電流制御手段は、正常時に使用し前記複数の巻線組に流す電流をそれぞれ制御する正常時電流制御手段および前記故障検知手段が検知した故障内容に応じた故障時電圧指令を生成する故障時電流制御手段を有し、前記故障検知手段が故障を検知した場合に正常側のインバータの制御を前記正常時電流制御手段によって継続するとともに、前記故障時電流制御手段が生成する前記故障時電圧指令によって故障した側のインバータの制御を継続するものにおいて、前記故障時電流制御手段は、故障側の故障していない相および正常側の各相の少なくとも一方を用いて、故障相によるブレーキトルクが発生しない位相範囲で正常時に発生させるモータトルクに、前記ブレーキトルクとは逆方向のトルクを加算したトルクを発生するものである。
この発明によれば、電流制御手段は、故障検知手段が故障を検知した場合に、正常側のインバータの制御を正常時電流制御手段によって継続するとともに、故障時電圧指令によって故障した側のインバータの制御も継続するので、短絡故障により生じるブレーキトルク以上にトルク脈動を発生させ、故障発生をユーザに確実に認知させることができる。
実施の形態１によるモータ制御装置の構成を示す図である。 実施の形態１における電流制御手段の構成を示す図である。 実施の形態１における故障時故障側指令生成器の構成を示す図である。 実施の形態１における相電流指令整形手段の構成を示す図である。 Ｖ相スイッチング素子が短絡故障またはＶ相が地絡故障した場合において、制御を停止したときに誘起電圧により流れる電流波形とブレーキトルクの一例を示す図である。 実施の形態１におけるモータトルクの故障側、正常側および合計の波形例を示す図である。 実施の形態１におけるトルク電流の故障側および正常側の波形例を示す図である。 実施の形態１の変形例におけるモータトルクの故障側および正常側の波形例を示す図である。 実施の形態１の変形例におけるモータトルクの故障側および正常側の波形例を示す図である。 Ｖ相スイッチング素子が短絡故障またはＶ相が地絡故障した場合に、原理的に実現できる限界を示したモータトルクとそのときの相電流波形を示す図である。 実施の形態２による単位相電流とトルク電流の関係を示す波形図である。 実施の形態２において、故障側でブレーキトルクと逆方向のトルクを加算してトルク振幅を増加させたときのトルク電流の波形例を示す図である。 実施の形態４におけるモータトルクの故障側、正常側および合計の波形例を示す図である。 実施の形態４におけるトルク電流の故障側および正常側の波形例を示す図である。
以下、図面に基づいて、本発明の一実施の形態例について説明する。
なお、各図間において、同一符号は、同一あるいは相当のものであることを表す。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るモータ制御装置の全体構成を示すブロック図である。
また、図１には、モータ制御装置１０以外に、電源４、モータ５およびモータ５の回転角度θを検出するモータ回転角度センサ６も示している。 モータ５は、Ｕ１相、Ｖ１相、Ｗ１相の３相の巻線からなる第１巻線組１５と、Ｕ２相、Ｖ２相、Ｗ２相の３相の巻線からなる第２巻線組１６を備えており、各巻線組はそれぞれスター結線で相を結合している。
これら複数の巻線組（図１に示した例では２つの巻線組）により図示しないステータが構成され、モータ５は、このステータと、図示しないロータと、ロータに固定された回転軸により構成されている。
なお、以下の説明では、この発明を、各巻線組が３相で、ロータに永久磁石を配置した永久磁石同期モータに適用した場合を例にして説明するが、この発明は、３相以上の多相交流により回転駆動するモータに対しても使用することができる。
また、本例では巻線をスター結線としたが、巻線をデルタ結線にしても同様の効果が得られる。 モータ制御装置１０は、モータ５の巻線に印加する電圧を制御し、それにより、電源４から電力をモータ５に供給し、巻線に流す電流を制御することによって、電流に概略比例するモータの出力トルクを制御する。
モータ制御装置１０では、モータ回転角度センサ６からの信号を受け、モータ回転角度検出手段２６によりモータの回転角度信号θを算出する。また、電流検出回路ＣＴ１１、ＣＴ２１、ＣＴ３１、ＣＴ１２、ＣＴ２２、ＣＴ３２によりモータ５の各相に流れる相電流を検出し、相電流検出値Iｕ１ｄｔｃ、Iｖ１ｄｔｃ、Iｗ１ｄｔｃ、Iｕ２ｄｔｃ、Iｖ２ｄｔｃ、Iｗ２ｄｔｃを得る。
なお、図１においては、第１巻線組１５側の相電流検出値Iｕ１ｄｔｃ、Iｖ１ｄｔｃ、Iｗ１ｄｔｃをI１ｄｔｃと表記し、第２巻線組１６側の相電流検出値Iｕ２ｄｔｃ、Iｖ２ｄｔｃ、Iｗ２ｄｔｃをI２ｄｔｃと表記している。
また、図１では、モータ回転角度センサ６とモータ回転角度検出手段２６を設けているが、一般的に行われる推定手段を用いて推定したモータ回転角度によってモータ回転角度信号を得てもよい。
電流制御手段２３は、後述するように、モータトルクの目標値に相当する総合トルク電流要求値Ｉｑｓｕｍ＊、モータ各相の相電流検出値およびモータ回転角度信号θに応じて第１の相電圧指令Ｖ１＊および第２の相電圧指令Ｖ２＊を決定する。
第１スイッチング素子駆動回路２４は、第１の相電圧指令Ｖ１＊をＰＷＭ変調して第１インバータ２１へスイッチング操作を指示する。第１インバータ２１は、第１スイッチング素子駆動回路２４からのスイッチング操作信号を受けてスイッチング素子ＵＰ１、ＶＰ１、ＷＰ１、ＵＮ１、ＶＮ１、ＷＮ１のチョッパ制御を行い、電源４から供給される電力によりモータの各相Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１に電流を流す。
第２スイッチング素子駆動回路２５と第２インバータ２２についても、同様に、第２の相電圧指令Ｖ２＊に応じて、モータの各相Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２に電流を流す。
なお、第１、第２のインバータ２１、２２は、第１、第２の巻線組１５，１６のそれぞれに対応して設けている。
図２は、実施の形態１による電流制御手段２３の構成を示すブロック図である。
電流制御手段２３の構成と動作について、図２を用いて説明する。
電流制御手段２３は、正常時に使用する通常の制御方式を実行する第１正常時電流制御手段３１と第２正常時電流制御手段３２、故障発生時に使用する故障時電流制御手段３０（図示なし）、さらに、故障検知手段３３、切替え手段３６、３７を備えている。
そして、２系統（第１系統および第２系統）の巻線組とインバータの組（以下、巻線駆動系とも言う）のうち、故障が発生した側の巻線駆動系に対して、故障時電流制御手段３０を用いて制御できるよう２種類の制御手段（すなわち、第１、第２の正常時電流制御手段および故障時電流制御手段）を切替えることが可能である。
なお、故障時電流制御手段３０（図示なし）は、故障時正常側指令生成器３４および故障時故障側指令生成器４２により構成する。
総合トルク電流要求値Iｑｓｕｍ＊は、トルク電流分配手段３５によって、第1の巻線駆動系と第２の巻線駆動系それぞれに発生させたいトルクの要求値である第１トルク電流要求値Iｑ０１＊と第２トルク電流要求値Iｑ０２＊に分配される。
本実施の形態では、第１トルク電流要求値Iｑ０１＊および第２トルク電流要求値Iｑ０２＊のそれぞれは、総合トルク電流要求値Iｑｓｕｍ＊の２分の１の値に設定する。
すなわち、それぞれの系統で等しいトルクを発生し、その合計で出力トルクを得るような設定とする。
次に、故障が発生していない正常時においては、切替え手段４０において、第１トルク電流要求値Iｑ０１＊を第１トルク電流指令値Iｑ１＊として選択する。故障発生時の動作は後述する。
第２系統においても、同様に、切替え手段４１において、第２トルク電流要求値Iｑ０２＊を第２トルク電流指令値Iｑ２＊として選択する。
次に、第１トルク電流指令値Iｑ１＊と相電流検出値I１ｄｔｃに基づいて、第１正常時電流制御手段３１は、正常時相電圧指令Ｖｎ１＊を出力する。
正常時においては、切替え手段３６において、正常時相電圧指令Ｖｎ１＊が選択され、第１の相電圧指令Ｖ１＊として、第１スイッチング素子駆動回路２４（図１参照）に入力される。
第１、第２正常時電流制御手段３１、３２は、３相から２軸のいわゆるｄｑ制御を実行する。第１トルク電流指令値Iｑ１＊は、ｑ軸電流指令としてｄｑ制御に用いる。
なお、図２では、モータ回転角度信号θを第１正常時電流制御手段３１および第２正常時電流制御手段３２に入力する配線が表記されていないが、ｄｑ制御において通常行う座標変換に用いるために、モータ回転角度信号θを第１正常時電流制御手段３１および第２正常時電流制御手段３２に入力するよう配線してもよい。
ここで、ｑ軸電流とは、トルクに比例する電流成分であり、本実施の形態の説明においては、トルク電流とも呼ぶ。もう一方の界磁磁束を制御するｄ軸電流については、本実施の形態では、零に制御するが、他の値を用いても良い。
また、正常時においては、第２の系統に関しても、同様に、第２トルク電流指令値Iｑ２＊に基づいて、第２正常時電流制御手段３２によりｄｑ制御が実行され、正常時相電圧指令Ｖｎ２＊が第２の相電圧指令Ｖ２＊として、第２スイッチング素子駆動回路２５（図１参照）に入力される。
このようにして、正常時においては、第１、第２トルク電流要求値に追従するように、第１、第２の巻線駆動系のトルク電流がそれぞれ実現され、所望の出力トルクを得ることができる。
次に、故障検知手段３３について説明する。故障検知手段３３は、例えば、相電流検出値を利用し、インバータまたはモータの正常あるいは異常を検出する異常検出手段および短絡箇所を特定する短絡箇所特定手段で構成すればよい。
この構成によれば、故障検知手段３３は、異常検出手段によりインバータまたはモータに何らかの異常が発生したと判定された場合に、短絡箇所特定手段が短絡故障した箇所を特定するというものである。
短絡箇所特定手段は、第１インバータ２１および第２インバータ２２のスイッチング素子をオンする所定の組合せを示すテストパターンを記憶し、モータ端子の平均電圧、前記テストパターン、および、それを実行した応答として流れる各相の検出電流に基づいて、短絡故障したスイッチング素子や、地絡故障または天絡故障した相を特定する。
このようにして、故障検知手段３３は、故障が発生した場合は、その故障が、第１の巻線駆動系か、第２の巻線駆動系かを示す故障系統判定結果と、巻線駆動系において、短絡故障が生じたのはどのスイッチング素子か、または、天絡もしくは地絡が生じたのはどの相か、相間の短絡故障が生じたのはどこの相間かといった、短絡故障箇所特定結果を出力する。
図３は、実施の形態１における故障時故障側指令生成器４２の構成を示すブロック図であり、図４は、図３に示した相電流指令整形手段５０の構成を示すブロック図である。
故障時故障側指令生成器４２および相電流指令整形手段５０の動作の詳細については、後述する。
次に、故障発生時の動作についての概略を説明する。
図５は、Ｖ相スイッチング素子が短絡故障あるいはＶ相が地絡故障した場合において、制御を停止したときに誘起電圧により流れる電流波形（三相電流波形）とブレーキトルク（モータトルク）の一例を示す図である。
今、第１の巻線駆動系において短絡故障が発生したとする。何も制御しない場合、つまり故障側の短絡故障したスイッチング素子以外のスイッチング素子をオフすると、図５（ｂ）に示すように、回転角度の半分にわたってブレーキトルクが発生する。
一方、正常側である第２の巻線駆動系に対しては、正常側である第２トルク電流要求値を故障時正常側指令生成器３４において、故障側の故障相によるブレーキトルクが発生しない位相範囲で、正常時トルク電流指令にブレーキトルクとは逆方向のトルクを加算したトルク電流指令を生成する。
このように生成された指令を、第２正常時電流制御手段３２に対する入力である第２トルク電流指令値Iｑ２＊とする。第２正常時電流制御手段３２の出力である正常時相電圧指令Ｖｎ２＊が相電圧指令Ｖ２＊として、正常側の巻線駆動系に与えられる。
次に、第１の巻線駆動系において、短絡故障が発生したときについての動作を、図２を用いて説明する。
故障検知手段３３で得られた故障系判定結果に応じて、故障側である第１トルク電流要求値Iｑ０１＊が切替え手段３８によって選択され、故障側トルク電流要求値Iｑ０ｆ＊として、故障時故障側指令生成器４２に入力される。
また、相電流検出値I１ｄｔｃが切替え手段３９で選択され、故障側相電流検出値Iｆｄｔｃとして、故障時故障側指令生成器４２に入力される。
さらに、故障検知手段３３で得られた短絡故障箇所特定結果と、モータ回転角度信号θが故障時故障側指令生成器４２に入力され、選択的スイッチング素子オフ手段５３（図３参照）により、故障側の短絡故障したスイッチング素子以外のスイッチング素子に対してオフ設定する。
故障時故障側指令生成器４２で算出された故障時相電圧指令Ｖｆ＊が切替え手段３６で選択されて、第１相電圧指令Ｖ１＊として出力される。
一方、正常側である第２トルク電流要求値Iｑ０２＊が切替え手段６１によって選択され、故障時正常側指令生成器３４に入力され、故障内容に適したトルク電流指令に生成される。故障時正常側指令生成器３４の動作については、後述する。
故障時正常側指令生成器３４で生成された指令が、正常側トルク電流指令値Iｑｓ＊として出力される。
そして、正常側トルク電流指令値Iｑｓ＊は、切替え手段４１において、第２トルク電流指令値Iｑ２＊として、第２正常時電流制御手段３２に入力される。
さらに、第２正常時電流制御手段３２で算出された第２相電圧指令Ｖｆ＊が切替え手段３７で選択されて、第２相電圧指令Ｖ２＊として出力される。
以下では、第１の巻線駆動系のＶ１相の下側のスイッチング素子ＶＮ１が短絡故障した場合を例として、実施の形態１の動作を説明する。
故障時正常側指令生成器３４の動作について、図３を用いて説明する。
なお、相電流指令整形手段５０に設けている単位相電流指令発生手段８１（図４参照）については、詳細を後述する。
図３に示した故障時正常側指令生成器３４の構成は、スイッチング素子ＶＮ１が短絡故障した場合に適した制御構成となっており、その動作は特許文献１に記載の従来装置と同様である。
相電流指令整形手段５０では、故障側トルク電流要求値Iｑ０ｆ＊とモータ回転角度信号θとその微分であるモータ回転角速度信号に基づいて、故障時相電流指令Iｆｕ＊、Iｆｖ＊、Iｆｗ＊を出力する。
これらに基づいて、図３に示す故障時故障側指令生成器４２の相電流指令整形手段５０以降の制御構成要素によって、故障時相電圧指令Ｖｆ＊を生成する。
また、正のトルクが発生できない回転角度範囲では、選択的スイッチング素子オフ手段５３によって、故障側インバータの全てのスイッチング素子を一時的にオフして、誘起電圧によって発生する短絡経路を通過する電流によるブレーキトルクを抑制する。
図４に示すように、相電流指令整形手段５０は、モータ回転角度、これの微分手段５１（図３参照）で得たモータ回転角速度および故障側トルク電流要求値Iｑ０ｆ＊に応じて、各相の相電流指令を発生する。
具体的には、単位相電流指令発生手段８１（図４参照）により、故障側トルク電流要求値とモータ回転角度信号θとモータ回転角速度信号に基づいて、各相の単位相電流指令を生成する。そして、乗算器８２Ｕ、８２Ｖ、８２Ｗにより、それぞれ（すなわち、各相の単位相電流指令）に故障側トルク電流要求値Iｑ０ｆ＊を乗算することで、故障時相電流指令Iｆｕ＊、Iｆｖ＊、Iｆｗ＊を出力する。
ここで、スイッチング素子ＶＮ１が短絡故障した場合の故障側設定について、図６および図７を用いて説明する。
なお、図６は、実施の形態１におけるモータトルクの故障側、正常側および合計の波形の一例を示す図であり、図７は、実施の形態１におけるトルク電流の故障側および正常側の波形の一例を示す図である。
スイッチング素子ＶＮ１が短絡の場合、Ｖ相が電源の負電位に短絡している。故障側発生トルクの制御は行わないため、選択的スイッチング素子オフ手段５３により、ＶＮ１以外の故障側スイッチング素子、ＵＰ１、ＶＰ１、ＷＰ１、ＵＮ１、ＷＮ１をオフする。
その結果、故障側モータトルクは図６（ａ）のようになる。
モータトルクが負値となっている領域は、ＶＮ１短絡によるブレーキトルク発生領域であり、トルク電流としては図７（ａ）のように０を指令すればよい。
一方、正常側については、ユーザが故障を認知できるようなトルク脈動波形を生成するため、図６（ｂ）のようなモータトルクを出力する。故障側の故障相によるブレーキトルクが発生しない位相範囲で、ブレーキトルクとは逆方向のトルクを加算する。このとき、正常側トルク電流は図７（ｂ）のように指示すればよい。
その結果、合計のモータトルクの波形としては図６（ｃ）のようになる。ブレーキトルクのみで発生するトルク脈動の振幅に比べ、逆方向のトルクを加算したことによって大きな振幅を得ることができる。
ここで、実施の形態１の変形例について説明する。
上記の例では、故障側の故障相によるブレーキトルクが発生しない位相範囲全部で、正常側でブレーキトルクとは逆方向のトルクを加算したモータトルクを出力したが、ユーザに故障の認知を促すことができるトルク脈動を得られればよく、図８または図９のような波形でも構わない。
図８は、故障側の故障相によるブレーキトルクが発生しない位相範囲と隣接する範囲で、正常側でブレーキトルクとは逆方向のトルクを加算したモータトルクを出力したときの波形であり、図８（ａ）は正常側出力波形を、図８（ｂ）は合計の出力波形を示す。
また、図９は、故障側の故障相によるブレーキトルクが発生しない位相範囲と隣接しない範囲で、正常側でブレーキトルクとは逆方向のトルクを加算したモータトルクを出力したときの波形であり、図９（ａ）は正常側トルク波形、図９（ｂ）は合計のトルク波形を示す。
図８および図９の縦軸をトルク電流指令値に読み替えればトルク電流波形になる。
ここで、これまで述べた実施の形態１によるモータ制御装置の効果の概略について説明する。
複数の巻線組を備えたモータを制御する際に、電流制御手段は、故障検知手段が短絡故障を検知した場合、故障内容に適した故障時電流制御手段が出力する故障時電圧指令によりブレーキトルクが発生する位相範囲を定め、正常側のインバータの制御を正常時電流制御手段によって際立たせたトルク脈動によりユーザに故障を認知させることができる。
さらに、故障側ブレーキトルクと正常側加算トルクを同じに設定することで、時間平均では、正常時出力トルクとほぼ同等となる出力を得ることができる。
以上説明したように、実施の形態１によるモータ制御装置は、複数の巻線組１５、１６を備えたモータ５を制御するモータ制御装置１０であって、
複数の巻線組の各相に印加する電圧を制御するスイッチング素子を各相に有する複数のインバータ２１、２２と、モータ５が発生するトルクの目標値に相当する総合トルク電流要求値Iｑｓｕｍ＊に応じて各インバータ２１、２２に前記各相に印加する電圧に対応する電圧指令Ｖ１＊、Ｖ２＊を与えて複数の巻線組に流す電流を制御する電流制御手段２３と、スイッチング素子の短絡故障、またはインバータ２１、２２もしくは複数の巻線組が地絡もしくは天絡する故障を検知する故障検知手段３３を備えており、
電流制御手段２３は、正常時に使用し前記複数の巻線組に流す電流をそれぞれ制御する正常時電流制御手段３１、３２および故障検知手段３３が検知した故障内容に応じた故障時電圧指令を生成する故障時電流制御手段３０（すなわち、故障時正常側指令生成器３４と故障時故障側指令生成器４２を合わせたもの）を有し、
故障検知手段３３が故障を検知した場合に正常側のインバータの制御を正常時電流制御手段３１、３２によって継続するとともに、故障時電流制御手段３０が生成する故障時電圧指令によって故障した側のインバータの制御を継続し、トルク脈動を際立たせる。
従って、電流制御手段は、故障検知手段が故障を検知した場合に、正常側のインバータの制御を正常時電流制御手段によって継続するとともに、故障時電圧指令によって故障側のインバータの制御も継続するので、短絡故障により生じるブレーキトルク以上にトルク脈動を発生させ、故障発生をユーザに確実に認知させることができる。
また、実施の形態１によるモータ制御装置の故障時電流制御手段３０は、故障側の故障していない相および正常側の各相の少なくとも一方を用いて、故障相によるブレーキトルクが発生しない位相範囲で正常時に発生させるモータトルクにブレーキトルクとは逆方向のトルクを加算したトルクを発生する。
従って、ユーザは、ブレーキトルクと加算した逆方向のトルクとのトルク差で発生するトルク脈動による違和感で故障を認知することができる。
また、故障時電流制御手段３０は、正常側出力トルクと故障側出力トルクの合計トルクが正常時出力トルクと時間平均でほぼ同等となるようにする。
従って、ユーザは、平均では正常時と同等のアシストトルクを得られるともに、トルク脈動による違和感で故障を認知することができる。
また、故障時電流制御手段３０は、故障相によるブレーキトルクが発生しない位相範囲で、ブレーキトルクとは逆方向のトルクを加算したトルクを発生する。
従って、ユーザは、トルクギャップによる違和感で故障を認知することができる。
また、故障時電流制御手段３０は、ブレーキトルクが発生する位相範囲と隣接する位相範囲で、ブレーキトルクとは逆方向のトルクを加算したトルクを発生する。
また、故障時電流制御手段３０は、ブレーキトルクが発生する位相範囲と隣接しない位相範囲で、ブレーキトルクとは逆方向のトルクを加算したトルクを発生する。
従って、ユーザは、トルクギャップによる違和感で故障を認知することができる。
実施の形態２．
前述した実施の形態１では、故障側のブレーキトルクとは逆方向のトルクを正常側にて加算したが、実施の形態２では、故障側の故障相以外の２相を制御することにより所望のトルクを加算することができる。
前述した通り、実施の形態１では、故障側のスイッチング素子をオフした場合のモータトルクは、図６（ａ）に示す波形であり、そのときのトルク電流指令値は、図７（ａ）となる。
ここで、スイッチング素子ＶＮ１が短絡故障した場合に故障側の巻線駆動系で発生できる回転停止時の電流とトルクについて説明する。スイッチング素子ＶＮ１が短絡の場合、Ｖ相が電源の負電位に短絡している。従って、本来Ｖ相が正側に他の相よりも大きな電流を流す必要のある回転角度範囲においては、正のトルクが発生できない。
この場合の出力トルクおよびトルク電流指令についての具体的な設定を説明する。
なお、この部分以外の動作は、実施の形態１と同様なので説明を省略する。
図１０は、トルク電流を１とすることを要求とした場合に、原理的に発生できるトルク電流波形（図１０（ｂ））と、それを実現するための単位相電流の波形（図１０（ａ））を示している。
図１０（ｂ）に示すように、回転角度が０度から６０度の範囲では、トルクが発生できない。むしろ、外力によりモータが回転させられたときは、誘起電圧によりブレーキトルクが発生する可能性がある。この回転角度範囲では、選択的スイッチング素子オフ手段５３によって一時的にスイッチング素子をオフし、極力、電流経路を減らして、ブレーキトルクを低減する。
図１１は、実施の形態２による単位相電流とトルク電流の関係を示す波形図である。
ここで、図１１を用いて、実施の形態２における相電流指令整形手段５０の基本的な動作を説明しておく。
故障側から出力することを要求するトルク電流を、例えば図１１（ｂ）のような波形とし、モータ回転角度がおよそ２４０度まで右肩上がりのトルク電流を実現するには、図１１（ａ）に示すような右側に大きな絶対値を持った単位相電流になる。
これは、トルク電流１を実現する単位相電流は図１０（ａ）であり、これに、図１１（ｂ）に示した形状の「要求するトルク電流」を回転角度毎に乗算すると、図１１（ａ）に示すような単位相電流になるからである。
従って、トルク電流波形を決めれば、図１０の関係を用いて、単位相電流指令を回転角度に対するテーブルとして、予め備えることが可能である。
このようにして、単位相電流指令発生手段８１（図４参照）において、必要な単位相電流指令のパターンをテーブルとして備えておけばよい。
なお、単位相電流指令をテーブルで備えない別の方法もあり、トルク電流波形をテーブルで備えておき、図１１のトルク電流波形と単位相電流指令の関係をテーブルとして備えておき、与えられたトルク電流波形を図１０の関係を用いて逐次、単位相電流指令に変換するように構成しても同様な結果が得られる。
また、このテーブルの代わりに、モータ回転角度に応じた数式による関数で表現してもよい。
特に、図１０の単位相電流は、正弦や余弦、その逆数である余割、正割の組合せで関数による表現が可能である。
この単位相電流指令を使用することで、故障側にてトルク脈動を生成することが可能となる。
図１２は、実施の形態２における故障側にてブレーキトルクと逆方向のトルクを加算してトルク振幅を増加させたときのトルク電流の波形の一例を示す図である。
例えば、図１２（ａ）の実線で示した指令ように故障側のトルク電流を設定し、図１２（ｂ）の実線で示した指令のように、正常側のトルク電流を設定する。ここで、総合トルク電流要求値を３、許容最大電流を２としている。
図１２（ａ）は、回転角度が故障側でブレーキトルクが発生してトルクが不足する回転角度範囲０から６０度に近づくに伴い、トルク電流が増大するよう、モータの回転方向に基づいて、設定している。
一方、正常側は、図１２（ｂ）のように、回転角度に依らず、許容最大電流と等しい値２に、トルク電流を設定している。なお、図１２（ｂ）は、回転方向がモータ回転角度の正方向の場合を示しており、逆回転の場合は、３０度で左右対称となるよう転写した波形になる。
このようにして、故障側にてブレーキトルクとは逆方向のトルクを加算すると、正常側と故障側の合計のトルク電流が図１２（ｃ）に示すようになり、回転角度が故障側でトルクが不足する回転角度範囲に近づくに伴い、正常側で発生させるトルクと故障側で発生させるトルクの合計値が増大するようトルク電流を設定している。
従って、故障側でブレーキトルクが発生してトルク不足になる回転角度範囲に近づくとトルクが増大する。そのため、モータの回転が加速し、トルク不足の範囲を速く脱出できるので、トルク不足の範囲の滞在時間が短く、トルク不足の影響を抑制して、十分な出力トルクを得ることが可能となる。
以上説明したように、実施の形態２によるモータ制御装置の故障時電流制御手段３０は、故障側にてブレーキトルクと逆方向のトルクを加算し、モータ５の回転角度が前記故障側でトルクが不足する回転角度範囲に近づくに伴い、正常側で発生させるトルクと故障側で発生させるトルクの合計値が増大するように設定する。
これにより、故障側でブレーキトルクが発生してトルク不足になる回転角度範囲に近づくとトルクが増大する。そのため、モータの回転が加速し、トルク不足の範囲を速く脱出できるので、トルク不足の影響を抑制して、十分な出力トルクを得ることができる。
また、実施の形態２の構成によれば、故障側のみでトルク脈動を発生させ、正常側では正常時と同様の制御を行うため、故障時の正常側制御を追加で準備する必要がなくなる。
実施の形態３．
前述した実施の形態１では所望のトルクを正常側のみで加算し、前述した実施の形態２では所望のトルクを故障側のみで加算したが、正常側および故障側の両方で所望のトルクを加算することも可能である。
すなわち、実施の形態３では、正常側および故障側の両方において所望のトルクを加算することにより、トルクギャップによる違和感を大きくして、故障を確実に認知することができる。
実施の形態４．
前述した実施の形態１では所望のトルクを正常側のみで加算し、実施の形態２では所望のトルクを故障側のみで加算し、実施の形態３では所望のトルクを正常側および故障側の両方で加算したが、故障側ブレーキトルク発生時に正常側にてトルクを減算することでもトルク脈動を際立たせることが可能である。
この場合の出力トルクおよびトルク電流指令についての具体的な設定を説明する。
なお、この部分以外の動作は、実施の形態１と同様なので説明を省略する。
図１３は、実施の形態４におけるモータトルクの故障側、正常側および合計のモータトルク波形例を示す図である。また、図１４は、実施の形態４におけるトルク電流の故障側および正常側の波形例を示す図である。
まず、故障側の設定は、実施の形態１と同様の設定とするため、故障側モータトルクは図１３（ａ）、トルク電流は図１４（ａ）のようになる。
従って、故障時故障側指令生成器４２は、実施の形態１と同様の設定となる。
次に、正常側の設定について説明する。
正常側モータトルクは、故障側でブレーキトルクを発生している領域でモータトルクを減算した図１３（ｂ）のようなモータトルクとする。
これにより、ブレーキトルクが発生している領域で、トルク減算分だけトルク振幅が増加することになる。
その結果、合計のモータトルクの波形としては、図１３（ｃ）のようになる。
ブレーキトルクのみで発生するトルク脈動の振幅に比べ、同方向のトルクを減算したことによって大きな振幅を得ることができる。
なお、上記例では故障側の故障相によるブレーキトルクが発生する位相範囲全部としたが、故障相によるブレーキトルクが発生する位相範囲の一部に限定してもよい。また、故障相によるブレーキトルクが発生する位相範囲を含めた範囲としてもよい。合計のモータトルクの振幅が故障相で発生したブレーキトルクによる振幅よりも大きくなり、そのトルク脈動によってユーザが故障を認知できればいずれのパターンでも構わない。
以上説明したように、実施の形態４によるモータ制御装置の故障時電流制御手段３０は、ブレーキトルクが発生する位相範囲の一部または全部を含む位相範囲で、ブレーキトルクと同方向のトルクを減算したトルクを発生する。
従って、トルクギャップはさらに大きくなり、ユーザは、大きなトルクギャップによる違和感で故障を確実に認知することができる。
以上までは、トルク脈動により故障を認知するモータ制御装置の発明について説明したが、本発明によるモータ制御装置は、自動車用のパワーステアリング装置に用いることが可能であることは言うまでもない。
本発明によるモータ制御装置をパワーステアリング装置に用いることにより、ユーザは、パワーステアリング装置の使用時にトルク脈動を検知してモータ制御装置の故障を認知できる。
この発明は、モータの巻線故障またはインバータの故障が発生した場合に、トルク脈動を際立たせてユーザに故障発生を認知させることができるモータ制御装置の実現に有用である。
４電源 ５モータ
６モータ回転角度センサ １０モータ制御装置
１５第１巻線組 １６第２巻線組
２１第１インバータ ２２第２インバータ
２３電流制御手段 ２４第１スイッチング素子駆動回路
２５第２スイッチング素子駆動回路 ２６モータ回転角度検出手段
３０故障時電流制御手段 ３１第１正常時電流制御手段
３２第２正常時電流制御手段 ３３故障検知手段
３４故障時正常側指令生成器 ３５トルク電流分配手段
４２故障時故障側指令生成器 ５０相電流指令整形手段。
ＵＰ１、ＶＰ１、ＷＰ１、ＵＮ１、ＶＮ１、ＷＮ１ スイッチング素子
ＵＰ２、ＶＰ２、ＷＰ２、ＵＮ２、ＶＮ２、ＷＮ２ スイッチング素子
ＣＴ１１、ＣＴ２１、ＣＴ３１、ＣＴ１２、ＣＴ２２、ＣＴ３２ 電流検出回路

Claims (8)

  1. 複数の巻線組を備えたモータを制御するモータ制御装置であって、前記複数の巻線組の各相に印加する電圧を制御するスイッチング素子を各相に有する複数のインバータと、前記モータが発生するトルクの目標値に相当する総合トルク電流要求値に応じて前記各インバータに前記各相に印加する電圧に対応する電圧指令を与えて前記複数の巻線組に流す電流を制御する電流制御手段と、前記スイッチング素子の短絡故障、または前記インバータもしくは前記複数の巻線組が地絡もしくは天絡する故障を検知する故障検知手段を備えており、前記電流制御手段は、正常時に使用し前記複数の巻線組に流す電流をそれぞれ制御する正常時電流制御手段および前記故障検知手段が検知した故障内容に応じた故障時電圧指令を生成する故障時電流制御手段を有し、前記故障検知手段が故障を検知した場合に正常側のインバータの制御を前記正常時電流制御手段によって継続するとともに、前記故障時電流制御手段が生成する前記故障時電圧指令によって故障した側のインバータの制御を継続し、トルク脈動を際立たせるものにおいて、前記故障時電流制御手段は、故障側の故障していない相および正常側の各相の少なくとも一方を用いて、故障相によるブレーキトルクが発生しない位相範囲で正常時に発生させるモータトルクに、前記ブレーキトルクとは逆方向のトルクを加算したトルクを発生することを特徴とするモータ制御装置。
  2. 前記故障時電流制御手段は、正常側出力トルクと故障側出力トルクの合計トルクが正常時出力トルクと時間平均でほぼ同等となるようにすることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
  3. 前記故障時電流制御手段は、前記故障相によるブレーキトルクが発生しない位相範囲全体で、ブレーキトルクとは逆方向のトルクを加算したトルクを発生することを特徴とする請求項１または２に記載のモータ制御装置。
  4. 前記故障時電流制御手段は、ブレーキトルクが発生する位相範囲と隣接する位相範囲で、ブレーキトルクとは逆方向のトルクを加算したトルクを発生することを特徴とする請求項１または２に記載のモータ制御装置。
  5. 前記故障時電流制御手段は、ブレーキトルクが発生する位相範囲と隣接しない位相範囲で、ブレーキトルクとは逆方向のトルクを加算したトルクを発生することを特徴とする請求項１または２に記載のモータ制御装置。
  6. 複数の巻線組を備えたモータを制御するモータ制御装置であって、前記複数の巻線組の各相に印加する電圧を制御するスイッチング素子を各相に有する複数のインバータと、前記モータが発生するトルクの目標値に相当する総合トルク電流要求値に応じて前記各インバータに前記各相に印加する電圧に対応する電圧指令を与えて前記複数の巻線組に流す電流を制御する電流制御手段と、前記スイッチング素子の短絡故障、または前記インバータもしくは前記複数の巻線組が地絡もしくは天絡する故障を検知する故障検知手段を備えており、前記電流制御手段は、正常時に使用し前記複数の巻線組に流す電流をそれぞれ制御する正常時電流制御手段および前記故障検知手段が検知した故障内容に応じた故障時電圧指令を生成する故障時電流制御手段を有し、前記故障検知手段が故障を検知した場合に正常側のインバータの制御を前記正常時電流制御手段によって継続するとともに、前記故障時電流制御手段が生成する前記故障時電圧指令によって故障した側のインバータの制御を継続し、トルク脈動を際立たせるものにおいて、前記電流制御手段は、故障側にてブレーキトルクと逆方向のトルクを加算し、前記モータの回転角度が前記故障側でトルクが不足する回転角度範囲に近づくに伴い、前記正常側で発生させるトルクと前記故障側で発生させるトルクの合計値が増大するように設定することを特徴とするモータ制御装置。
  7. 複数の巻線組を備えたモータを制御するモータ制御装置であって、前記複数の巻線組の各相に印加する電圧を制御するスイッチング素子を各相に有する複数のインバータと、前記モータが発生するトルクの目標値に相当する総合トルク電流要求値に応じて前記各インバータに前記各相に印加する電圧に対応する電圧指令を与えて前記複数の巻線組に流す電流を制御する電流制御手段と、前記スイッチング素子の短絡故障、または前記インバータもしくは前記複数の巻線組が地絡もしくは天絡する故障を検知する故障検知手段を備えており、前記電流制御手段は、正常時に使用し前記複数の巻線組に流す電流をそれぞれ制御する正常時電流制御手段および前記故障検知手段が検知した故障内容に応じた故障時電圧指令を生成する故障時電流制御手段を有し、前記故障検知手段が故障を検知した場合に正常側のインバータの制御を前記正常時電流制御手段によって継続するとともに、前記故障時電流制御手段が生成する前記故障時電圧指令によって故障した側のインバータの制御を継続し、トルク脈動を際立たせるものにおいて、前記故障時電流制御手段は、ブレーキトルクが発生する位相範囲の一部または全部を含む位相範囲で、ブレーキトルクと同方向のトルクを減算したトルクを発生することを特徴とするモータ制御装置。
  8. 請求項１〜7のいずれか１項に記載のモータ制御装置を用いた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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