JP6177426B2 - 交流回転機の制御装置および電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

この発明は、交流回転機の制御装置、およびこの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。

従来装置の例として、特許文献１に示されるものがある。これは、電力変換手段を構成する複数のスイッチング素子のいずれかが短絡故障しても、継続してステアリングホイールの操舵を補助することができる電動パワーステアリング装置である。

この電動パワーステアリング装置は、電力変換部と三相のブラシレスモータとの間に設けられる３個のリレーすなわち開閉器を備え、制御部は、スイッチング素子のいずれかが短絡故障したとき、リレーのいずれかで、短絡故障したスイッチング素子とブラシレスモータとの接続を切断し、電力変換部を介してブラシレスモータに交流電力を供給するものである。これにより、ブラシレスモータに二相の交流電力が供給できる。従って、継続してステアリングホイールの操舵を補助することができる。

また、他の従来装置の例として、特許文献２に示されるものがある。これは、スイッチング素子のいずれかが短絡故障した場合において、異常時電流制御手段が異常状態に応じた異常時電圧指令を発生し、正常時電流制御手段の代わりに異常時電流制御手段によって電流制御を実行する多相交流電動機の電動機制御装置である。

この電動機制御装置においては、異常時電流制御手段は、電動機の回転角度が、ブレーキトルクの発生を避け難い角度範囲にある場合に、一時的に1つ以上の相のスイッチング素子にオフ状態を指令するものである。これにより、ブレーキトルクの発生を避け難い領域で、ブレーキトルクを最小化することができ、また、それ以外の領域で力行トルクを出力できる。

また、他の従来装置の例として、特許文献３に示されるものがある。これは、複数の巻線組を有する多相回転機と複数の系統の電力変換器を有する制御装置であって、スイッチング素子の１つにオン故障が生じた場合において、故障した系統の全てのスイッチング素子をオフ状態とし、故障した系統によるモータの駆動を停止し、故障した系統において生じるブレーキトルクを打ち消すよう、故障していない系統を制御するものである。

特開２００９−３５１５５号公報 特許第４７７２１１６号公報 特開２０１１−７８２３０号公報

上記特許文献１のような装置においては、スイッチング素子の短絡故障が生じた相をリレーにより遮断するので、１相が開放状態になる。このとき、出力できるトルクは、交流回転機の１回転当り２点の角度においてトルクが零になる。そのため、トルクの脈動が大きく、また、この角度で回転機の回転が減速し易いという課題があった。
また、上記特許文献２のような装置においては、交流回転機と電力変換器の接続経路にリレーすなわち開閉器を備えず、電力変換器のスイッチング素子の制御を故障状態に適したものにして、ブレーキトルクを最小化しているが、ブレーキトルクを零にすることはできないという課題があった。例えば、上記特許文献３の図１９のように、低速回転では、（ａ）のように、ブレーキトルクをほぼ零にできるが、高速回転では、（ｂ）のようにブレーキトルクが大きくなる。
また、上記特許文献３のような装置においては、巻線と電力変換器をそれぞれ２系統備えるので、装置のサイズが大きくなり、また、コストが高くなるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、サイズやコストを抑えつつ、スイッチング素子の短絡故障、または、電力変換器と巻線の間の経路が地絡あるいは天絡故障が生じた場合に、ブレーキトルクを排除し、かつ、トルクが零の箇所を削減することで、出力トルクを向上できる交流回転機の制御装置を得ることを目的としている。

この発明に係る交流回転機の制御装置は、交流回転機に接続された複数のスイッチング素子を有し、交流回転機に電圧を印加する電力変換器と、交流回転機と電力変換器の電気的接続経路を開閉する開閉器と、スイッチング素子の開閉を制御するスイッチング素子制御手段と、開閉器の開閉を制御する開閉器制御手段と、電力変換器、交流回転機、または、電力変換器と交流回転機の電気的接続経路に発生する故障を検知して故障箇所を特定し、故障箇所信号を出力する異常判定手段とを備え、開閉器制御手段は、異常判定手段からの故障箇所信号が供給され、開閉器の開と閉を前記交流回転機の回転情報に応じて制御するようにした交流回転機の制御装置において、電力変換器、交流回転機、または、電力変換器と交流回転機の間の電気的接続経路に故障が発生した場合に、開閉器制御手段は、故障が発生した相の開閉を繰り返し、他の相は接続状態を維持するようにしたものである。

この発明によれば、電力変換器、交流回転機、または、その電気的接続経路に故障が発生した場合に、開閉器の開と閉を交流回転機の回転情報に応じて制御するので、開閉器なしではブレーキトルクが生じる動作領域で、ブレーキトルクを排除し、零以上の力行トルクを得ることができる。さらに、故障した相の開閉器を常時開いた状態にせず、交流回転機の回転状態に応じて閉じるので、トルクが零になる角度を削減することができる。さらに、巻線や電力変換器を２系統備えるなどして冗長にする必要がなく、サイズを大きくすること無くコストを低減できる。このように、この発明による交流回転機の制御装置は、従来にない顕著な効果を奏するものである。

この発明の上記以外の目的、特徴、観点及び効果は、図面を参照する以下のこの発明の詳細な説明から、さらに明らかになるであろう。

この発明の実施の形態１による交流回転機の制御装置を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１による下側故障時のモードＩにおける力行トルク領域およびブレーキトルク領域（トルク領域マップ）を示した図 この発明の実施の形態１による下側故障時のモードＩＩにおける力行トルク領域および故障相に電流が流れるかブレーキトルクが生じる領域（トルク領域マップ）を示した図でる。 この発明の実施の形態１によるＵ相開放状態における回転角度に対するトルクの関係を示す図である。 この発明の実施の形態１による上側故障時のモードＩにおける力行トルク領域およびブレーキトルク領域（トルク領域マップ）を示した図である。 この発明の実施の形態１による上側故障時のモードＩＩにおける力行トルク領域および故障相に電流が流れるかブレーキトルクが生じる領域を示した図である。 この発明の実施の形態１による開閉器制御手段を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１による開閉指令手段におけるモードと故障相に対する開閉器の指令の関係を示す図である。 この発明の実施の形態１による下側故障時に実現できるトルクを示す図である。 この発明の実施の形態１による上側故障時に実現できるトルクを示す図である。 この発明の実施の形態２による交流回転機の制御装置を示すブロック図である。 この発明の実施の形態２によるモードＩＩにおける力行トルク領域およびトルク零の領域を示す図である。 この発明の実施の形態２による上側故障時に実現できるトルクを示す図である。 この発明の実施の形態３による開閉器の構成を示す図である。 この発明の実施の形態３による開閉器の構成の変形例を示す図である。 この発明の実施の形態５による回転速度とブレーキトルクの関係を示す図である。 この発明の実施の形態６による回転角度に対する使用モードを示すトルク領域マップを表した図である。 この発明の実施の形態７による開閉器の構成を示す図である。 この発明の実施の形態９による電動パワーステアリング装置を示すブロック図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による交流回転機２の制御装置１とその周辺の構成を示す図である。図１において、制御装置１の周辺には、交流回転機２と電源１０が備わっている。交流回転機２は、例えば、永久磁石同期電動機、ブラシレスモータなど、一般に知られたものを用いればよい。

制御装置１は、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の３相の巻線を備えた交流回転機（以下、モータとも称す）２を制御する。制御装置１は、モータ２の回転情報を検出する回転検出手段７において、モータ２の回転角度および回転速度を算出する。また、制御装置１は、電流検出器ＣＵ、ＣＶ、ＣＷにより、モータ２の各相に流れる電流を検出する。

制御装置１は、モータ２の出力トルクの目標値に相当する電流指令（ｑ軸電流指令とも称す）、モータ２の各相の検出電流、回転角度に応じて３相電圧指令を決定する電流制御手段３１と、電流制御手段３１からの３相電圧指令をＰＷＭ変調して電力変換器４へスイッチング操作を指示するスイッチング素子駆動手段３２とからなるスイッチング素子制御手段３を備える。また、スイッチング素子駆動手段３２からスイッチング操作信号を受けてＭＯＳ−ＦＥＴでなるスイッチング素子ＵＰ、ＵＮ、ＶＰ、ＶＮ、ＷＰ、ＷＮのチョッパ制御を実現し、電源１０からモータ２の各相に電力を供給する電力変換器４を備える。なお、電流制御手段３１は、電流指令とモータ２の各相の検出電流とに応じて３相電圧指令を決定することができ、モータ回転角度は必ずしも必要としない。

電力変換器４からモータ２の各相に流れる電流によって、モータ２はトルクを発生する。なお、電流検出器ＣＵ、ＣＶ、ＣＷは、各相のスイッチング素子ＵＰ、ＵＮ、ＶＰ、ＶＮ、ＷＰ、ＷＮとそれぞれ直列に配置する。この実施の形態１では、電流検出器ＣＵ、ＣＶ、ＣＷは下側のスイッチング素子ＵＮ、ＶＮ、ＷＮのグランド側に直列に配置している。また、各スイッチング素子ＵＰ、ＵＮ、ＶＰ、ＶＮ、ＷＰ、ＷＮには、それぞれダイオードＤＵＰ、ＤＵＮ、ＤＶＰ、ＤＶＮ、ＤＷＰ、ＤＷＮを並列に配置している。これは、スイッチング素子を保護する目的で、一般的に配置される。また、制御装置１は、各相の検出電流、モータ回転角度に基づいて、短絡故障箇所を判定する異常判定手段９を備える。

この異常判定手段の構成は、例えば、国際公開ＷＯ２００８／１２９６５８号公報に示す異常検出手段と短絡箇所特定手段などを用いればよい。この異常判定手段９によって、電力変換器４、交流回転機２、または、その電気的接続経路に発生する短絡故障を検知し、その短絡故障箇所を特定し、その故障箇所を故障箇所信号として出力する。例えば、スイッチング素子ＵＰが短絡故障した場合、あるいは、スイッチング素子ＵＰからＵ相巻線までの電気的接続経路と電源の母線の短絡、すなわちＵ相の天絡故障の場合は、ＵＰという情報を信号として出力する。スイッチング素子ＵＰ、ＵＮ、ＶＰ、ＶＮ、ＷＰ、ＷＮの短絡故障と、それに等価な故障として、スイッチング素子からモータ巻線までの電気的接続経路と電源の母線またはグランド側母線との短絡故障を対象とし検出して、その故障箇所信号を出力する。

また、電流制御手段３１は、故障が生じていない正常時に使用する正常時電流制御手段と、故障時に使用する異常時電流手段を備える。正常時制御手段は、ｄｑ制御など公知のもので構成すればよく、詳細説明は省略する。異常時電流制御手段は、故障状態や回転情報に応じて制御構成を切替えて故障や回転状態に最適な電圧指令を生成する制御を実施する。

開閉器５は、電力変換器４と交流回転機２の巻線を接続する各相の配線上に、それぞれ配置され、各相ごとに、ＭＯＳ−ＦＥＴでなる開閉素子ＵＲ、ＶＲ、ＷＲと、各開閉素子ＵＲ、ＶＲ、ＷＲに並列に備えられたダイオードＤＵＲ、ＤＶＲ、ＤＷＲで構成される。すなわち、本実施の形態の開閉器は、電子的な素子で構成された電子開閉器である。機械的な開閉器に比べ、サイズが小さく安価である。

開閉器制御手段６は、故障箇所信号と回転情報に応じて、開閉器５を制御するものであって、各相の開閉素子ＵＲ、ＶＲ、ＷＲへ開または閉の指令を生成し、故障時に最適なトルクを発生させるべく各開閉素子ＵＲ、ＶＲ、ＷＲの開と閉を制御する。

次に、交流回転機２や電力変換器４の１相に異常が生じた場合、例えば、モータ配線のＵ相か、電力変換器の配線のＵ相か、交流回転機と電力変換器を結ぶ配線のＵ相が、電源の負電位（グランドとも称す）に繋がる配線に短絡する異常、または、Ｕ相の下側のスイッチング素子ＵＮが短絡する異常、すなわちＵ相の地絡が発生した場合について説明する。

まず、Ｕ相下側が短絡故障した場合に、全相の開閉器を閉にしたときの出力トルクについて説明する。開閉器５、即ち全相の開閉素子ＵＲ、ＶＲ、ＷＲを閉とする状態をモードＩと呼ぶ。上述の課題（課題の欄）においても記述したように、このときのトルクは、力行トルクが出力可能な領域とブレーキトルクが生じる領域に分かれる。例えば、上記特許文献３の図１９のように、低速回転では、（ａ）のように、ブレーキトルクをほぼ零にできるが、高速回転では、（ｂ）のようにブレーキトルクが大きくなり、また、ブレーキトルクが生じる角度範囲も広くなる。この現象は図２に示すような特性となる。即ち、図２は、モータの回転角度と回転速度に対して、ドット表示の領域がブレーキトルクとなる領域を、その他の白い領域が力行トルクとなる領域を示している。

次に、Ｕ相下側が短絡故障した場合に、故障した相すなわちＵ相の開閉器のみを開としその他を閉にしたときの出力トルクについて説明する。故障相の開閉器のみ開とする状態をモードＩＩと呼ぶ。このときは、Ｕ相開放状態と概ね近い状態となる。ただし、開閉素子ＵＲと並列に接続されたダイオードＤＵＲは、ダイオードのモータ側の電圧がグランドより低くなると導通するので、完全にはＵ相開放状態ではない。

このときのトルクについて、図３を用いて説明する。このときの出力トルクは、Ｕ相開放状態に近く、太い実線で示した９０度と２７０度においてトルクが零になる。そのときの波形は上述したように図４のようになる。ダイオードＤＵＲは高速回転時には導通するので、ドット表示の領域は、ブレーキトルクが生じるかまたは故障相に電流が発生する。太い実線とドット表示の領域以外の白い領域は力行トルクが可能な領域である。

Ｕ相下側が短絡故障した場合に、全相の開閉器を開としたときの出力トルクについては、全領域でトルク零になる。全相の開閉器を開とする状態をモードＩＩＩと呼ぶ。
このように開閉器の開閉に応じて力行トルクが可能な範囲が変わるので、この性質を利用すればトルクを最適化できる。
上述で定義したモードＩ、ＩＩ、ＩＩＩを下記にまとめて示しておく。
モードＩ： 全相の開閉器を閉じた状態
モードＩＩ： 故障相の開閉器のみ開いて、他は閉じた状態
モードＩＩＩ： 全相の開閉器を開いた状態

次に、Ｕ相下側が短絡故障した場合における開閉器制御手段６とスイッチング素子制御手段３の動作について説明する。このような異常が発生した場合、異常判定手段９は、「Ｕ相下側が異常である」という故障箇所信号を、スイッチング素子制御手段３と開閉器制御手段６に供給する。

開閉器制御手段６は、図７に示すように構成されており、マップ選択手段６１において、故障箇所信号に応じて、マップを選択する。ここで、マップとは、上述した図２のように、回転角度と回転速度に対して、力行トルクの領域を示した関係図（トルク領域マップとも称す）であり、テーブルなどを用いて実装すれば良い。図２は、Ｕ相下側故障時のモードＩすなわち全相開閉器を閉にした状態のものであるが、Ｕ相上側故障場合は、図５のように１８０度反転した形状になる。

また、Ｖ相、Ｗ相の故障の場合は、図示はしないが、それぞれ、１２０度、２４０度ずれた特性になるものである。Ｕ相下側が短絡故障した場合は、図２の全相開閉器を閉じたモードＩの力行可能領域を示すマップを選択する。

次に、領域判定手段６２は、回転角度と回転速度に応じて、マップ選択手段で選択されたマップを参照して、開閉指令手段にモードＩ、モードＩＩ、モードＩＩＩの切替えを指令するためのモード指令を受け渡す。Ｕ相下側が短絡故障した場合は、モードＩのトルク領域マップである図２に従い、回転角度と回転速度の動作点が、白い部分の力行可能領域にある場合は、モードＩすなわち、全相開閉器を閉とする状態となるよう、モード指令を生成する。モードＩのトルク領域マップである図２に従い、回転角度と回転速度の動作点が、ドット表示部分のブレーキトルク領域にある場合は、モードＩＩすなわち、故障相のみ開閉器を開にする状態となるよう、モード指令を生成する。

次に、モード指令を受けた開閉指令手段６３は、図８に示した表に従い、モード指令がモードＩの場合は、全相の開閉器を閉じ、モードＩＩの場合は、故障相すなわちＵ相のみを開とし、モードＩＩＩの場合は、全相の開閉器を開とする。なお、この例では、モードＩＩＩは用いていない。

なお、モードＩにおいては、スイッチング素子制御手段３に、例えば、特許文献２で示されたスイッチング素子の短絡故障や１相に短絡故障が生じた場合の異常時電流制御手段などの制御手法を用いればよい。この異常時電流制御手段は、電力変換器４における異常な相のスイッチング素子をオフ状態で駆動停止させ、残りの正常な二相で制御を継続するものであり、さらに、相電流指令と検出電流との偏差が入力され、正常な相の電流偏差と、異常な相の電流偏差とを加減算した値に応じて、異常時電圧指令を生成するものである。モードＩＩにおいては、例えば、特許第４４９８３５３号に示された異常時電流制御手段のような制御手段を用いればよい。この異常時電流制御手段は、電力変換器４における異常な相のスイッチング素子をオフ状態で駆動停止させ、残りの正常な二相で制御を継続するものであり、異常の発生した相以外の正常な各相の電圧指令の和が零となる平衡条件を満たすように、各相の電圧指令を発生し、これらを異常時電圧指令として出力するものであり、相電流指令は、回転角度に関する余弦の逆数に応じて算出するか、あるいは、トルク零の角度に近づくにつれて相電流指令が大きくなるよう回転方向に応じて算出するものである。それぞれ故障箇所に適した制御を実現できる。

このようにすることで、モードＩのブレーキトルク領域に回転角度と回転速度の動作点が存在することが無くなり、ブレーキトルクを回避できる。その結果、全領域のうち、回転角度が２７０度の場合だけトルクが零となり、それ以外の領域で、力行トルクの出力が可能となる。すなわち、回転速度によらず、図９のようなトルクを出力できる。従来の特許文献１の手法と比較すると、特許文献１の装置ならば図４のように、零トルクの角度が２点存在するが、本実施の形態の装置では、１点だけとなり、出力トルクを向上できていることが分かる。また、特許文献２の手法の場合は、モードＩと同じトルクしか出力できずブレーキトルクが生じるのに対して、本実施の形態の方が、出力トルクを向上できる。

なお、上記では、マップ選択手段６１で、モードＩのトルク領域マップを選んだが、モードＩＩのものを選んでも良い。その場合、モードＩＩの９０度の太線とドット表示の領域とその近傍に回転動作点がある場合は、モードＩを指令して、それ以外でモードＩＩを指令すれば、上述と同様な効果が得られる。

以下では、モータ配線のＵ相か、電力変換器の配線のＵ相か、交流回転機と電力変換器を結ぶ配線のＵ相が、電源の正電位（電源電圧とも称す）に繋がる配線に短絡する異常、または、Ｕ相の上側スイッチング素子ＵＰが短絡する異常、すなわちＵ相の天絡が発生した場合について説明する。

まず、Ｕ相上側が短絡故障した場合に、全相の開閉器を閉にしたときの出力トルクすなわちＵ相上側故障のモードＩは、図５のようになる。モータの回転角度と回転速度に対して、ドット表示の領域がブレーキトルクとなる領域を、その他の白い領域が力行トルクとなる領域を示している。次に、Ｕ相上側が短絡故障した場合に、故障した相すなわちＵ相の開閉器のみを開としその他を閉にしたモードＩＩのときの出力トルクについて説明する。このときは、開閉素子ＵＲと並列に接続されたダイオードＤＵＲは、ダイオードのモータ側の電圧が電源電圧より低くなると導通するので、導通しやすい。

したがって、このときのトルクについて、図６のように、ドット表示の領域は、ダイオードＤＵＲが導通する領域であり、ブレーキトルクが生じるかまたは故障相に電流が発生する。太い実線とドット表示の領域以外の白い領域は、故障相に電流を流すことなく力行トルクが可能な領域である。Ｕ相上側が短絡故障した場合に、全相の開閉器を開としたときの出力トルクについては、全領域でトルク零になる。

Ｕ相上側が短絡故障した場合における開閉器制御手段とスイッチング素子制御手段の動作について説明する。このような異常が発生した場合、異常判定手段９は、「Ｕ相上側が異常である」という故障箇所信号を、スイッチング素子制御手段３と開閉器制御手段６に供給する。

マップ選択手段６１は、Ｕ相上側が短絡故障した場合は、全相開閉器を閉じたＵ相上側故障のモードＩのトルク領域マップ（図５）を選択する。Ｕ相上側故障のモードＩのトルク領域マップに従い、回転角度と回転速度の動作点が、白い部分の力行可能領域にある場合は、モードＩすなわち、全相開閉器を閉とする状態となるよう、モード指令を生成する。モードＩのトルク領域マップである図５に従い、回転角度と回転速度の動作点が、ドット表示部分のブレーキトルク領域にある場合は、モードＩＩＩすなわち、全相開閉器を開にする状態となるよう、モード指令を生成する。なお、モードＩＩＩにおいては、スイッチング素子制御手段は特に動作は必要ないが、全スイッチング素子をオフにしていればよい。

このようにすることで、モードＩのブレーキトルク領域に回転角度と回転速度の動作点が存在することが無くなり、ブレーキトルクを回避できる。その結果、全領域のうち、回転角度が図５のドット表示領域だけトルクが零となり、それ以外の領域で、力行トルクの出力が可能となる。従来の特許文献１の装置を、ＭＯＳ−ＦＥＴとダイオードで構成された電子開閉器を用いた図１のような回路構成に適用すると、開閉器のダイオードが導通しやすいため、ブレーキトルクが発生し易く、出力トルクは、特許文献３の図１９のように、高速回転では、（ｂ）のようにブレーキトルクが大きくなる。一方、本実施の形態によると、図１０のように、ブレーキトルクを完全に排除することができ、出力トルクを向上できる。また、特許文献２の手法の場合は、モードＩと同じトルクしか出力できずブレーキトルクが生じるのに対して、本実施の形態の方が、出力トルクを向上できる。

以上のように、本実施の形態による交流回転機の制御装置は、交流回転機に接続された複数のスイッチング素子を有し、交流回転機に電圧を印加する電力変換器と、交流回転機と電力変換器の電気的接続経路を開閉する開閉器と、スイッチング素子の開閉を制御するスイッチング素子制御手段と、開閉器の開閉を制御する開閉器制御手段とを備え、電力変換器、交流回転機、または、その電気的接続経路に故障が発生した場合に、前記開閉器制御手段は、開閉器の開と閉を回転情報に応じて制御するよう構成したので、電力変換器、交流回転機、または、その電気的接続経路に故障が発生した場合に、ブレーキトルクが生じ易い動作領域で、ブレーキトルクを排除し、零以上の力行トルクを得ることができ、さらに、故障した相の開閉器を常時開いた状態にせず、回転状態に応じて閉じるので、トルクが零になる角度を削減することができる。また、出力トルクを向上できるだけでなく、巻線や電力変換器を２系統備えるなどして冗長にする必要がなく、サイズを大きくすること無くコストを低減できる。

さらに、電力変換器、交流回転機、または、その間の経路に故障が発生した場合に、スイッチング素子制御手段は、スイッチング素子の開閉を切替えることで電圧を制御するよう構成したので、開閉器の状態と故障内容に応じて最適な異常時電流制御をすることができ、出力トルクを向上することができる。

さらに、電力変換器、交流回転機、または、その間の経路に故障が発生した場合に、
開閉器制御手段は、故障が発生した相の開閉を繰り返し、他の相は接続状態を維持するよう構成したので、ブレーキトルクの発生しない回転領域だけ故障相を利用し、それ以外の回転領域では故障のない二相で制御することができ、出力トルクを向上することができる。

さらに、電力変換器、交流回転機、または、その間の経路に故障が発生した場合に、
開閉器制御手段は、全ての相の開閉を繰り返すよう構成したので、ブレーキトルクの発生しない回転領域だけ全相を利用し、それ以外の回転領域では全相を遮断してブレーキトルクを排除することができ、出力トルクを向上することができる。

さらに、電力変換器、交流回転機、または、その間の経路に故障が発生した場合に、
開閉器制御手段は、開閉器を全て閉じた状態で力行が不可能なときに、故障が発生した相の開閉器を開くよう構成したので、力行が可能な回転領域だけ故障相を利用し、それ以外の回転領域では故障のない二相で制御することができ、出力トルクを向上することができる。

さらに、電力変換器、交流回転機、または、その間の経路に故障が発生した場合に、
開閉器制御手段は、開閉器を全て閉じた状態で力行が不可能なときに、全ての開閉器を開くよう構成したので、力行が可能な回転領域だけ全相を利用し、それ以外の回転領域では全相を遮断してブレーキトルクを排除することができ、出力トルクを向上することができる。

さらに、開閉器は、片方向の電流を遮断するものすなわちダイオードを利用した電子開閉器であることとし、電力変換器、交流回転機、または、その間の経路に故障が発生した場合に、開閉器制御手段は、開閉器の開と閉を繰り返すよう構成したので、
機械式開閉器を用いるよりもサイズを小さくでき、かつ、出力トルクを向上することができる。

なお、本実施の形態では、開閉器のダイオードが、電力変換器からモータに向かう方向で配置されていたが、逆向きに配置してもよく、その場合は、上側故障と下側故障のときの特性が入れ替わるだけであり、それに応じて、開閉器制御手段も対称となるよう動作を入れ替えれば同様な効果が得られる。

実施の形態２．
上述の実施の形態１においては、開閉器５は、ＭＯＳ−ＦＥＴとダイオードという電子的な素子による電子開閉器で構成したが、本実施の形態では、機械式の開閉器で構成する点と、上側スイッチング素子の短絡故障を含む天絡故障時の開閉器制御手段の動作が異なる点が、実施の形態１との差異であり、他は同様である。

図１１に本実施の形態の制御装置１を示す。開閉器を機械式で構成したので、開閉器と並列にダイオードを有する必要がなく、そのため、開閉器を開くことで、双方向の電流を遮断することができる。

実施の形態１と同様に、代表してＵ相の短絡故障について説明する。開閉器を全相閉じた状態であるモードＩについては、当然、実施の形態１と同じ状態になる。故障したＵ相だけ、開閉器を開くモードＩＩは、上側のスイッチング素子の短絡故障を含む天絡故障時とＵ相の下側スイッチング素子の短絡故障を含む地絡故障時はともに、同じ特性を示し、図１２のように、９０と２７０度の太い実線箇所だけトルクが零になり、それ以外では力行トルクが可能となる。これは、機械式開閉器の１相を開としているので、１相開放時のトルクになることからわかる。波形でいうと図４のようになる。

Ｕ相の上側が短絡故障した場合における開閉器制御手段６とスイッチング素子制御手段３の動作について説明する。このような異常が発生した場合、異常判定手段９は、「Ｕ相上側が異常である」という故障箇所信号を、スイッチング素子制御手段３と開閉器制御手段６に供給する。

マップ選択手段６１は、Ｕ相上側が短絡故障した場合は、開閉器５の全相を閉じたＵ相上側故障のモードＩのトルク領域マップ（図５）を選択する。Ｕ相上側故障のモードＩのトルク領域マップに従い、回転角度と回転速度の動作点が、白い部分の力行可能領域にある場合は、モードＩすなわち、開閉器５の全相を閉とする状態となるよう、モード指令を生成する。モードＩのトルク領域マップである図５に従い、回転角度と回転速度の動作点が、ドット表示部分のブレーキトルク領域にある場合は、モードＩＩすなわち、故障相の開閉器を開にする状態となるよう、モード指令を生成する。

このようにすることで、モードＩのブレーキトルク領域に回転角度と回転速度の動作点が存在することが無くなり、ブレーキトルクを回避できる。その結果、全領域のうち、回転角度が９０度の場合だけトルクが零となり、それ以外の領域で、力行トルクの出力が可能となる。すなわち、回転速度によらず、図１３のようなトルクを出力できる。従来の特許文献１の装置と比較すると、特許文献１の装置ならば図４のように、零トルクの角度が２点存在するが、本実施の形態の装置では、１点だけとなり、出力トルクを向上できていることが分かる。また、特許文献２の手法の場合は、モードＩと同じトルクしか出力できずブレーキトルクが生じるのに対して、本実施の形態の方が、出力トルクを向上できる。

開閉器は、双方向の電流を遮断することが可能であることとし、電力変換器、交流回転機、または、その間の経路に故障が発生した場合に、開閉器制御手段は、開閉器の開と閉を繰り返すよう構成したので、トルクが零となる領域を１点だけにすることができ、出力トルクを向上することができる。

実施の形態３．
上述の実施の形態２においては、開閉器５は、機械式の開閉器で構成したが、本実施の形態では、ＭＯＳ−ＦＥＴとダイオードという電子開閉器を方向が逆になるように各相に直列に二重で構成する点が、実施の形態１、実施の形態２と異なり、他は同様である。

図１４に本実施の形態の制御装置１を示す。開閉器を双方向に電子式開閉器を二重で構成したので、開閉器を開くことで、双方向の電流を遮断することができる。すなわち、機械式の開閉器を用いた実施の形態２と同じ効果を得ることができる。

また、電子開閉器の配置の変形例として、図１５のように構成したものを用いても良い。上側スイッチング素子に対して直列に電子式開閉器が配置されているので、上側短絡故障において、双方向の電流を遮断することができ、モードＩＩの故障相のみの遮断することが図１４と同様に実現できる。したがって、同様な効果を得ることができる。

実施の形態４．
上述の実施の形態１においては、下側のスイッチング素子の短絡故障を含む地絡故障時における開閉器制御手段の動作が実施の形態１と異なり、他は同様である。

実施の形態１においては、マップ選択手段で、モードＩのトルク領域マップを選んだが、本実施の形態４では、下側のスイッチング素子の短絡故障を含む地絡故障時にモードＩＩのもの（図３）を選ぶ。領域判定手段６２は、モードＩＩのトルク領域マップのドット表示の領域に回転動作点がある場合は、モードＩＩＩを指令して、それ以外でモードＩＩを指令するようモード指令を生成する。

このようにすることで、下側スイッチング素子の短絡故障を含む地絡故障時には、図３のドット表示部分だけ、モードＩＩＩによりトルク零となるが、大部分の回転領域で、図４のような２点だけトルク零となる出力トルクを得ることができ、出力トルクを向上できる。

電力変換器、交流回転機、または、その間の経路に故障が発生した場合に、開閉器制御手段は、故障が発生した相は開いた状態を維持し、他の相は開閉を繰り返すよう構成したので、故障した相の開閉器は開にしたままで、出力トルクを向上できる。

さらに、電力変換器、交流回転機、または、その間の経路に故障が発生した場合に、
開閉器制御手段は、故障が発生した相が開いた状態で力行が不可能なときに、全ての開閉器を開くよう構成したので、概ね力行が可能な回転領域だけ故障相以外の相を利用し、それ以外の回転領域では全相を遮断してブレーキトルクを排除することができ、出力トルクを向上することができる。

実施の形態５．
上述の実施の形態１においては、開閉器制御手段６は、回転角度と回転速度という２つの回転情報に基づいて、モード指令を生成していた。本実施の形態においては、回転速度のみを回転情報として用いモード指令を生成するよう構成する点と、開閉器を各相個別に開閉するよう構成せず、同時に全相を開閉するよう簡素に構成する点が、実施の形態１と異なり、他は同様である。

Ｕ相故障時のモードＩのトルク領域マップにおけるドット表示部分で生じるブレーキトルクは、回転速度が大きくなるほど、大きくなるものであり、その関係は図１６のようになる。この図１６によると、回転速度がωＢよりも小さい領域では、ブレーキトルクは最大値の半分以下と小さい。したがって、低速域ではモードＩを用いて、高速域ではモードＩＩＩを用いることで、低速域でほぼ力行トルクを出力でき、高速域では、ブレーキが支配的になるのを回避し、トルクを零にできる。

次に、開閉器制御手段の動作について説明する。マップ選択手段は、図１６を選択し、領域判定手段において、回転速度を回転速度閾値ωＢと比較し、回転速度の方が小さいときは、モードＩを指令し、回転速度の方が大きいときは、モードＩＩＩを指令するようモード指令を生成する。

このようにすることで、低速域では、特許文献３の図１９の（ａ）のように、ほぼ力行トルクを出力でき、高速回転では、（ｂ）のようにブレーキトルクが支配的になるを回避し、トルクを零にできる。このようにすることで、出力トルクを向上できるという効果がある。それだけでなく、モードＩとモードＩＩＩだけ使うので、開閉器の全相を同時に開または閉に切替えるよう構成すればいいので、開閉指令手段から、開閉器へ指令する配線の構成などを簡略化できるという効果がある。

また、回転情報を交流回転機の回転速度のみとするようにしたので、開閉器制御手段の構成と開閉器の構成を簡素にしつつ、出力トルクを向上できるという効果がある。

なお、上述までの本実施の形態５においては、開閉器制御手段６は、回転検出手段７で検出した回転速度に基づいて、モード指令を生成していたが、回転検出手段７は、回転速度を検出するのではなく、交流回転機２の誘起電圧を推定または検出するように構成してもよく、誘起電圧にゲインを乗算して回転速度と同様に扱えばよい。誘起電圧の算出は、電流偏差や電圧を用いるなど、一般に知られた方法を用いればよい。誘起電圧と回転速度は概ね比例の傾向にあるので、上述と同じ効果が得られる。

実施の形態６．
上述の実施の形態１においては、開閉器制御手段６は、回転角度と回転速度という２つの回転情報に基づいて、モード指令を生成していた。本実施の形態においては、回転角度のみを回転情報として用いモード指令を生成するよう構成する点が、実施の形態１と異なり、他は同様である。

実施の形態１においては、領域判定手段６２で、回転速度と回転角度に基づいて、モードＩのトルク領域マップ上のブレーキトルク領域か力行領域にあるかを判定していたが、本実施の形態では、回転角度のみに基づいて、図１７の右端に示すように、モード指令を選択する。図１７では、ドット表示のブレーキトルク領域に接してこれを包含するようにモードＩＩまたはモードＩＩＩにする角度領域を定めている。

下側のスイッチング素子の短絡故障を含む地絡故障時においては、マップ選択手段６１は、図１７の(a)を選択し、領域判定手段は、ドット表示のブレーキトルク領域に接してこれを包含するよう定めた領域に、回転角度があるときは、モードＩＩを指令し、それ以外の領域では、モードＩを指令するようにモード指令を生成する。

上側のスイッチング素子の短絡故障を含む天絡故障時においては、マップ選択手段６１は、図１７の(ｂ)を選択し、領域判定手段は、ドット表示のブレーキトルク領域に接してこれを包含するよう定めた領域に、回転角度があるときは、モードＩＩＩを指令し、それ以外の領域では、モードＩを指令するようにモード指令を生成する。

このように構成することで、図１７のドット表示の領域と、それと接する点線で挟まれた領域の差分だけが、実施の形態１との差異になるので、実施の形態１とほぼ同様な効果を得ることができる。

実施の形態７．
上述の実施の形態２または３においては、開閉器５は、双方向の電流を遮断できるものを各相に備えるよう構成していたが、本実施の形態では、３相のうち２相にだけ備えるように構成する。また、開閉器制御手段６は、モードＩＩ用いず、モードＩとモードＩＩＩを切替えるようにする点が、実施の形態２および３とは異なるが、他は同様である。

開閉器５は、図１８（ａ）の双方向の電流を遮断できる機械式のものか、図１８（ｂ）ダイオードの向きが対向するよう2重化した電子式のものを２相にだけに備えるよう構成する。2相にだけであっても、全て開とすれば、３相の電流が遮断される。

開閉器制御手段６は、実施の形態２および３と同様にマップ選択手段６１でモードＩのトルク領域マップを選択し、回転状態がドット表示のブレーキトルク領域にあるか否かを判定するが、ブレーキトルク領域にあるときには、モードＩＩＩになるようモード指令を生成する。
このようにすることで、開閉器を２相にだけ備える簡素な構成でありながら、ブレーキトルクを排除し、力行トルクを極力出力することができ、出力トルクを向上できる。

実施の形態８．
上述の実施の形態５においては、開閉器制御手段６は、回転速度のみを回転情報として用いモード指令を生成するようにし、開閉器５の全相を同時に開閉するよう簡素に構成し、また、モードＩにおいて、スイッチング素子制御手段３において異常時電流制御手段により出力トルクを向上するよう構成したが、本実施の形態では、モードＩにおいて、スイッチング素子制御手段３は、全スイッチング素子を停止するように構成するようにする。その他は同様である。

このようにすることで、力行トルクは出力できなくなるが、低速回転域では、特許文献２の図７（ｂ）のように、ブレーキトルクが１回転のうち部分的に発生する状態になる。このブレーキトルクが脈動としてモータの動作に現れるので、故障していることを、モーとの利用者が認知することができるという効果がある。低速なので、ブレーキトルクの大きさは小さく、また、高速回転時は、モードＩＩＩに移行して、電流を遮断できるので、ブレーキトルクを除去できる。

電力変換器、交流回転機、または、その間の経路に故障が発生した場合に、開閉器制御手段は、開閉器の開と閉を回転情報に応じて制御するようにし、スイッチング素子制御手段は、スイッチング素子を開に固定するよう構成したので、出力トルクは、概ね零にしたまま、故障を告知することができるという効果が得られる。

実施の形態９．
図１９はこの発明の実施の形態９を示すもので、上述までの実施の形態で示した交流回転機の制御装置を自動車の電動パワーステアリング装置に適用した一例を示すものである。
図１９はこの発明の実施の形態９による電動パワーステアリング装置の概略構成図である。

図示しない運転者からステアリングホイール１０１に加えられた操舵力は、ステアリングシャフト１０３を通り、ラック・ピニオンギヤ１０４を介して、ラックに伝達され、車輪１０５を転舵させる。交流回転機２は、モータ減速ギア１０２を介してステアリングシャフト１０３と連結している。交流回転機２が発生するトルク（以下、補助力とも称す）は、モータ減速ギア１０２を介してステアリングシャフト１０３に伝達され、操舵時に運転者が加える操舵力を軽減する。

トルク検出手段１０６は、運転者がステアリングホイール１０１を操舵することによりステアリングシャフト１０３に加わった操舵トルクと交流回転機２が発生するトルクの混合されたトルクを出力トルクとして検出する。制御装置１は、トルク検出手段１０６で検出した出力トルクに応じて、交流回転機２が付与する補助力の方向と大きさを決定し、この補助力を発生させるべく回転機に流れる電流を制御する。
制御装置１は、上述された実施の形態のうちのいずれかのものを用いる。トルク検出手段１０６で検出した出力トルクに基づいて、電流指令を算出する電流指令生成手段１０７を備える。

電動パワーステアリング装置において、走行中に故障が発生した場合に制御を停止すると、運転者の感じる違和感が大きいので、可能な限り制御を継続することで違和感を低減できる。何らかの故障があるにも関わらず、可能な限り良好な制御を継続するには、故障した箇所を特定することが望ましい。

この実施の形態９の電動パワーステアリング装置によれば、簡素な構成で、電力変換器、交流回転機、または、その電気的接続経路に故障が発生した場合に、開閉器制御手段は、開閉器の開と閉を回転情報に応じて制御するようにしたので、ブレーキトルクを排除し、出力トルクを向上することができ、運転者の感じる違和感を低減できる。

なお、上述の実施の形態では、開閉器はモータよりも電力変換器側に配置したが、モータ内部、例えば、巻線の中性点の付近に配置してもよく、電気的接続経路としては等価であるので、上述と同様な作用を得ることができる。

この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変更、省略することができる。

Claims (7)

1. 交流回転機に接続された複数のスイッチング素子を有し、前記交流回転機に電圧を印加する電力変換器と、前記交流回転機と前記電力変換器の電気的接続経路を開閉する開閉器と、前記スイッチング素子の開閉を制御するスイッチング素子制御手段と、前記開閉器の開閉を制御する開閉器制御手段と、前記電力変換器、前記交流回転機、または、前記電力変換器と前記交流回転機の電気的接続経路に発生する故障を検知して故障箇所を特定し、故障箇所信号を出力する異常判定手段とを備え、前記開閉器制御手段は、前記異常判定手段からの故障箇所信号が供給され、前記開閉器の開と閉を前記交流回転機の回転情報に応じて制御するようにした交流回転機の制御装置において、前記電力変換器、前記交流回転機、または、前記電力変換器と前記交流回転機の間の電気的接続経路に故障が発生した場合に、前記開閉器制御手段は、前記故障が発生した相の開閉を繰り返し、他の相は接続状態を維持することを特徴とする交流回転機の制御装置。
2. 前記電力変換器、前記交流回転機、または、前記電力変換器と前記交流回転機の間の電気的接続経路に故障が発生した場合に、前記開閉器制御手段は、前記開閉器を構成する開閉素子を全て閉じた状態で力行が不可能なときに、故障が発生した相の開閉素子を開くことを特徴とする請求項１に記載の交流回転機の制御装置。
3. 交流回転機に接続された複数のスイッチング素子を有し、前記交流回転機に電圧を印加する電力変換器と、前記交流回転機と前記電力変換器の電気的接続経路を開閉する開閉器と、前記スイッチング素子の開閉を制御するスイッチング素子制御手段と、前記開閉器の開閉を制御する開閉器制御手段と、前記電力変換器、前記交流回転機、または、前記電力変換器と前記交流回転機の電気的接続経路に発生する故障を検知して故障箇所を特定し、故障箇所信号を出力する異常判定手段とを備え、前記開閉器制御手段は、前記異常判定手段からの故障箇所信号が供給され、前記開閉器の開と閉を前記交流回転機の回転情報に応じて制御するようにした交流回転機の制御装置において、前記電力変換器、前記交流回転機、または、前記電力変換器と前記交流回転機の間の電気的接続経路に故障が発生した場合に、前記開閉器制御手段は、前記故障が発生した相は開いた状態を維持し、他の相は開閉を繰り返すことを特徴とする交流回転機の制御装置。
4. 前記電力変換器、前記交流回転機、または、前記電力変換器と前記交流回転機の間の電気的接続経路に故障が発生した場合に、前記開閉器制御手段は、前記開閉器を構成する開閉素子において、故障が発生した相の前記開閉素子が開いた状態で力行が不可能なときに、全ての前記開閉素子を開くことを特徴とする請求項３に記載の交流回転機の制御装置。
5. 交流回転機に接続された複数のスイッチング素子を有し、前記交流回転機に電圧を印加する電力変換器と、前記交流回転機と前記電力変換器の電気的接続経路を開閉する開閉器と、前記スイッチング素子の開閉を制御するスイッチング素子制御手段と、前記開閉器の開閉を制御する開閉器制御手段と、前記電力変換器、前記交流回転機、または、前記電力変換器と前記交流回転機の電気的接続経路に発生する故障を検知して故障箇所を特定し、故障箇所信号を出力する異常判定手段とを備え、前記開閉器制御手段は、前記異常判定手段からの故障箇所信号が供給され、前記開閉器の開と閉を前記交流回転機の回転情報に応じて制御するようにした交流回転機の制御装置において、前記電力変換器、前記交流回転機、または、前記電力変換器と前記交流回転機の間の電気的接続経路に故障が発生した場合に、前記開閉器制御手段は、全ての相の開閉を繰り返し、前記開閉器を構成する開閉素子を全て閉じた状態で力行が不可能なときに、故障が発生した相の開閉素子を開くことを特徴とする交流回転機の制御装置。
6. 交流回転機に接続された複数のスイッチング素子を有し、前記交流回転機に電圧を印加する電力変換器と、前記交流回転機と前記電力変換器の電気的接続経路を開閉する開閉器と、前記スイッチング素子の開閉を制御するスイッチング素子制御手段と、前記開閉器の開閉を制御する開閉器制御手段と、前記電力変換器、前記交流回転機、または、前記電力変換器と前記交流回転機の電気的接続経路に発生する故障を検知して故障箇所を特定し、故障箇所信号を出力する異常判定手段とを備え、前記開閉器制御手段は、前記異常判定手段からの故障箇所信号が供給され、前記開閉器の開と閉を前記交流回転機の回転情報に応じて制御するようにした交流回転機の制御装置において、前記電力変換器、前記交流回転機、または、前記電力変換器と前記交流回転機の間の電気的接続経路に故障が発生した場合に、前記開閉器制御手段は、全ての相の開閉を繰り返し、前記開閉器を構成する開閉素子を全て閉じた状態で力行が不可能なときに、全ての前記開閉素子を開くことを特徴とする交流回転機の制御装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の交流回転機の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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