JPWO2007129359A1 - 電動機制御装置 - Google Patents

Abstract

インバータを備えた多相交流電動機の制御装置であって、電流制御手段（２３）は、異常時に使用する異常時電流制御手段（３０）、電動機（５）の配線又は、インバータ（２５）、又は電動機とインバータを結ぶ配線の異常状態を判定する異常判定手段（３２）、および異常相切離し手段（３４）を備えており、異常相切離し手段は、異常判定手段が判定した異常な相の内１つ以上を回路から切り離し、異常時電流制御手段は、異常判定手段が判定した異常状態に応じた異常時電圧指令を発生し、この異常時電圧指令を多相電圧指令として、インバータの切り離された相以外の相を用いて各相を個別に電流制御する。

Description

この発明は、電動機を駆動する電動機制御装置に関し、特に、多相電動機またはインバータの１相、もしくは２相間に、地絡、短絡などの異常が発生しても、異常状態に適した制御方式で電動機を駆動することのできる電動機の制御装置に関するものである。

従来装置の例として、例えば、下記特許文献１に示されるものがある。
この特許文献１に記載のものは、インバータの各相にヒューズを備えており、スイッチング素子が短絡する異常時に、短絡経路に正常時よりも大きな電流を流してヒューズを溶断し、短絡箇所を介した閉回路を開放することで、誘起電力によるブレーキトルクを防止している。
また、他の従来装置の例として、下記特許文献２に示されるものがある。
この特許文献２に記載のものは、３相電動機とスイッチング素子との間を接続する３相の配線のうち２相間が短絡する異常時に、この配線に設置されたモータリレーを開放することなく閉じたままにして、制御可能状態を継続するものである。また、短絡した２相の上側スイッチング素子と下側スイッチング素子が同時にオン状態にならないようにデューティを制限することにより、過電流を抑制している。

特開２００３‐８１０９９号公報 特開２００５‐１５３５７０号公報

従来、電動機またはインバータの異常時に制御を継続するものとして、1相が開放状態になる異常時、または、２相間が短絡する異常時における制御方式はある。
しかしながら、その他の異常、例えば、1相の地絡、1相巻線の短絡、スイッチング素子の短絡などが発生した場合に、異常時にのみ使用するハードウェアの装置を使用すること無く、トルク出力を継続する制御方式に関するものはない。
前記特許文献１のような例では、スイッチング素子が短絡する異常時に、ヒューズを溶断しているが、ヒューズというハードウェアを追加する必要があるので、インバータのサイズとコストが増大する。また、誘起電力によるブレーキトルクは防止できるが、制御は継続していない。

前記特許文献２のような例では、２相間が短絡する異常時に、モータリレーを閉じたままにし、異常な相のデューティを制限しているが、過電流を抑制しつつ制御可能状態を継続させているに過ぎず、電流制御方法を工夫して、異常によるトルク脈動を抑制し、モータの動作を改善しようとするものではない。したがって、異常によるモータのトルク脈動が大きいという問題がある。
また、前記特許文献２の過電流の防止はデューティの制限によるものであり、制限はするもののデューティによりスイッチング素子は駆動されるので、複数のスイッチング素子の応答遅れの誤差や、スイッチング素子の駆動回路のタイミングの誤差によって、短絡経路ができ過電流が発生する恐れがあるという問題がある。

この発明は、上記のような従来の装置の問題点に鑑みてなされたもので、電動機またはインバータの異常発生時、例えば、1相の地絡、1相巻線の短絡、スイッチング素子の短絡、２相間の短絡などが発生した場合に、過電流を防止し、さらに、異常状態に適した制御方式に変更することによって、異常によるトルク脈動を抑制し、モータの動作を改善できるようにした電動機の制御装置を提供することを目的とする。

この発明に係わる、電動機制御装置は、電動機の各相に流れる電流を検出する電流検出回路、電動機が発生するトルクの目標値に相当するトルク電流指令と前記電流検出回路からの各相の検出電流に応じて多相電圧指令を決定する電流制御手段、この電流制御手段からの多相電圧指令に基づいてインバータへスイッチング操作を指示するスイッチング素子駆動回路、このスイッチング素子駆動回路からのスイッチング操作信号を受けて動作し、前記電動機の各相に供給される電流を制御するスイッチング素子から成るインバータ、を備えた多相交流電動機の制御装置であって、前記電流制御手段は、さらに、正常時に使用する正常時電流制御手段、異常時に使用する異常時電流制御手段、前記電動機の配線または、前記インバータ、または前記電動機と前記インバータを結ぶ配線の異常状態を判定する異常判定手段、および異常相切離し手段、を備えており、前記異常相切離し手段は、前記異常判定手段が判定した異常な相の内１つ以上を回路から切り離し、前記異常時電流制御手段は、前記異常判定手段が判定した異常状態に応じた異常時電圧指令を発生し、この異常時電圧指令を多相電圧指令とし、前記インバータの前記切り離された相以外の相を用いて電流制御を実行するように構成したものである。

また、この発明の電動機制御装置は、異常な相を切離すことなく、前記異常時電流制御手段により前記異常判定手段が判定した異常状態に応じた異常時電圧指令を発生し、これを多相電圧指令とし、前記インバータの異常が生じた相も正常な相も用いて電流制御を実行するように構成したものである。

この発明の電動機制御装置によれば、電動機の配線または、インバータ、または電動機とインバータを結ぶ配線に地絡、短絡等の異常が生じた場合であっても、異常が生じた相の内１つ以上を切り離すことで、異常により過電流が流れることを防止し、残された相のインバータを用いて、異常に適した制御を継続することができ、電動機のトルク出力を継続させて、異常によるトルク脈動を抑制し、モータの動作を改善することができる効果がある。

また、この発明の電動機制御装置によれば、電動機の配線または、インバータ、または電動機と前記インバータを結ぶ配線の１相に短絡異常が生じた場合、インバータの異常が生じた相も正常な相も用いて、この異常に適した電圧指令を発生することにより電動機のトルク出力を継続させ、異常によるトルク脈動を抑制し、モータの動作を改善することできる。

さらにまた、この発明の電動機制御装置によれば、電動パワーステアリング装置の駆動用に用いられる３相ブラシレスモータの制御装置として好適な電動機の制御装置を得ることができる。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。
なお、以下の説明ではこの発明を、３相ブラシレスモータに適用した場合を例に説明するが、この発明は、これに限らず、多相交流により回転駆動する電動機に対して使用することができるものである。
図１は、この発明の実施の形態１による電動機制御装置の全体構成を示す概略ブロック図である。
図１において、１０は電動機制御装置であり、この電動機制御装置１０を用いて、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の３相の巻線を備えたブラシレスモータ（以下モータとも言う）５を制御する。
電動機制御装置１０は、モータ５の回転角度を検出するモータ角度センサ６からの信号を受け、モータ回転角度検出回路２１によりモータの回転角度を算出する。また、電流検出回路２２によりモータ５の各相に流れる電流を算出する。
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トルク電流指令、モータ各相の検出電流、モータ回転角度に応じて３相電圧指令を決定する。スイッチング素子駆動回路２４は、この電流制御手段２３で決定された３相電圧指令をＰＷＭ変調してインバータ２５へスイッチング操作を指示する。
インバータ２５は、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、出力アームを構成するスイッチング素子６１Ａ〜６３Ａ、６１Ｂ〜６３Ｂのチョッパ制御を実現し、バッテリ１１から供給される電力により、モータ５の各相に電流を流す。
各相に流れるこの電流によって、モータトルクが発生する。

次に、電流制御手段２３について、図２のブロック図を用いて説明する。
電流制御手段２３は、図２で示すように、正常時に使用する通常の制御方式を実行する正常時電流制御手段３１、異常時に使用する異常時電流制御手段３０、異常判定手段３２、切替え手段３３、異常相切離し手段３４を備えており、この２つの電流制御手段３０と３１を切替えることが可能とされている。
異常判定手段３２は、電流検出回路２２から供給される３相検出電流に基づいて以下の判定を行う。すなわち、異常判定手段３２は、いずれかの相の検出電流の大きさが事前に定められた値以上に留まり、かつ、他の相の検出電流は事前に定められた値以下に留まっている時間の長さが、事前に定めた値に達した時に、その相は異常状態であると判定する。このような異常判定手段ならば、各相独立に異常を判定するのではなく、３相の検出電流に基づいて相対的また総合的に異常を判定するので、誤判定の恐れを小さくできる。
また、異常判定手段３２は、異常の有無と異常な相を知らせるべく異常判定信号を、異常時電流制御手段３０と切替え手段３３と異常相切離し手段３４に供給する。

異常時電流制御手段３０は、異常判定手段３２からの異常判定信号を受け、正常時には機能を停止し、ある相から異常が検出された場合には、その異常な相に対応した制御を実行する。
切替え手段３３は、異常判定手段３２からの異常判定信号を受け、正常時の信号を検出した場合は、正常時電流制御手段３１からの３相正常時電圧指令を３相電圧指令として出力し、異常時の信号を検出した場合は、異常時電流制御手段３０からの３相異常時電圧指令を３相電圧指令として出力する。
異常相切離し手段３４は、異常判定手段３２からの異常判定信号を受け、過電流を防ぐため異常な相を切り離すべく、異常な相のスイッチング素子を駆動停止する指令をスイッチング素子駆動回路２４に送る。

なお、正常時電流制御手段３１は、例えば、国際公開ＷＯ２００５／０９１４８８公報
の図１７に示されるような公知のもので構成すればよく、正常時において通常のｄｑ制御を実行し、滑らかなモータトルクの発生を実現するものであって、この発明の要旨とは直接には関係しないので、詳細説明は省略する。

次に、モータやインバータの１相に異常が生じた場合、例えば、モータ配線のＶ相か、インバータ配線のＶ相か、モータとインバータを結ぶ配線のＶ相が、バッテリの負電位に繋がる配線に短絡する異常、または、インバータの出力アームの１相、例えば、Ｖ相の下側スイッチング素子が短絡する異常、すなわち1相の地絡が発生した場合について説明する。

このような異常が発生した場合、図２において、異常判定手段３２は、「Ｖ相が異常である」という異常判定信号を、異常時電流制御手段３０と切替え手段３３と異常相切離し手段３４に供給する。異常相切離し手段３４は、異常が生じたＶ相に過電流が発生するのを防ぐべく、Ｖ相のスイッチング素子６２Ａ、６２Ｂの駆動を停止する指令をスイッチング素子駆動回路２４に送る。この指令を受けたスイッチング素子駆動回路２４により、Ｖ相スイッチング素子６２Ａ、６２Ｂはオフ状態を継続し、駆動停止状態になる。
また、異常判定信号によって、異常時電流制御手段３０が作動し、３相異常時電圧指令が切替え手段３３を介して３相電圧指令としてスイッチング素子駆動回路２４に供給される。異常時電流制御手段３０は、異常が生じた相を考慮した電流制御を行うべく、図３で示す制御方式を実行する。

以下異常時電流制御手段３０の制御動作について、図３、図４を用いて説明する。
図３は、前述のＶ相が地絡の場合の異常時電流制御手段３０ａの制御ブロック線図であり、この制御方式を以下「地絡時三相個別制御」と呼ぶこととする。
図３において、相電流指令整形手段５０は、トルク電流指令と、モータ回転角度と、微分手段５１でモータ回転角度を近似的に微分して得たモータ回転角速度に応じて、各相の相電流指令を発生する。減算器４４、４５、４６はそれぞれ、Ｕ、Ｖ、Ｗ相電流指令から、電流検出回路２２で得られたＵ、Ｖ、Ｗ相検出電流を減算し、各相の電流偏差を算出する。次に、減算器７２、７３は、地絡した相を基準とした各相の電流制御を実施するために、正常なＵ、Ｗ相の電流偏差から、異常の発生したＶ相の電流偏差を減算し、PI制御などで構成されたＵ相制御器４１、Ｗ相制御器４３に供給する。
正常な相の電圧指令を、バッテリ負電圧に陥っている地絡した相の電圧に、オフセットさせて適切な指令にするために、加算器７４、７５は、Ｕ相制御器４１、Ｗ相制御器４３から出力されたＵ、Ｗ相の指令に、負電圧回路５４のバッテリ負電圧値ＶＮをそれぞれ加算し、Ｕ、Ｗ相電圧指令を生成する。ここでいうバッテリ負電圧値は、バッテリ電圧ＶＢの２分の１の値を負値にしたもの、すなわち、ＶＮ＝−ＶＢ／２である。
このようにして、図３に示す異常時制御手段３０ａは、Ｖ相に発生した地絡に応じて、正常な相を個別に制御する。

相電流指令整形手段５０は、例えば図４に示すような構成である。
単位相電流指令発生手段５０１は、トルク電流指令と、モータ回転角度、モータ回転角速度に応じて各相の単位相電流指令を決定する。
乗算手段５０２Ｕ、５０２Ｖ、５０２Ｗは、トルク電流指令と各相の単位相電流指令をそれぞれ乗算し、各相の相電流指令を算出する。この単位相電流指令は、トルク電流指令の大きさが１のときの、各相の相電流指令を意味している。
単位相電流指令発生手段５０１において、トルク電流指令と、モータ回転角度と、モータ回転角速度に対する単位相電流指令の関係は、例えば、図５で示す関係である。
図５（ａ）の関係を用いて、単位相電流指令を生成し、このような相電流指令が各相巻線の電流として実現できれば、図５（ｂ）に示すようなモータトルク波形を得ることができる。これは、前述のような１相が地絡する異常時に、可能な限り正方向の平坦なトルクを出力しようとする指令である。横軸のモータ回転角度はモータの電気角のスケールである。
なお、この単位目標相電流の算出において、モータ回転角速度を使用してないが、モータ回転角速度を使用した例については後述の実施の形態６で説明する。

また、異常時電流制御手段３０ａは、選択的スイッチング素子オフ手段５３を設けており、モータ回転角度に応じて、一時的に正常な相のスイッチング素子をオフするようにスイッチング素子駆動回路２４に指令することができる。
例えば、図５（ａ）に示す単位相電流指令を用いる場合は、電流をゼロにしたいモータ回転角度（０〜６０°）において、Ｕ相スイッチング素子６１Ａ、６１ＢとＷ相スイッチング素子６３Ａ、６３Ｂをオフすることにより、電流経路を減らすことができる。
なお、図３はＶ相に異常が生じた場合の地絡時三相個別制御の制御ブロック線図を示しているが、Ｕ、Ｗ相に異常が発生した場合も、同様な地絡時三相個別制御が、異常時電流制御手段３０ａに備わっており、異常が生じた相によって切り替えることができる。

ここで、この発明の効果を示すため、以下で、前述のように１相が地絡する異常時における問題点を述べておく。
１相が前述のように地絡する異常時には、地絡箇所を介した閉回路ができるため、モータの誘起電力によるブレーキトルクの発生を避け難いモータ回転角度が存在する。このブレーキトルクは、モータの回転を妨げる方向に働くトルクである。仮に、スイッチング素子を全てオフした場合でも、正常な相のダイオードを介して閉回路は維持されるので、図６に示すように、誘起電力による電流が流れ、ブレーキトルクが発生する。
なお、このダイオードは、図１に示すように、通常、インバータ２５において、それぞれのスイッチング素子と並列に備えられるものである。
図５において、モータ回転角度（０〜６０°）では、単位相電流指令とモータトルク波形をゼロにしているが、これは、ブレーキトルクの発生を防げない領域であり、少しでも電流を小さくして、ブレーキトルクを小さくするのが狙いである。
本来、正のトルクを出力するには、この角度領域では、Ｖ相の電圧を最も高くするべきであるが、今、Ｖ相が地絡して電圧が最低値すなわちバッテリの負電圧になっているため、正のトルクの発生は不可能である。さらに、地絡箇所を介した閉回路があるためブレーキトルクが発生し、これを防止するのは困難である。
また、１相が前述のように地絡する異常時において、正常時に使用する制御方式、例えばｄｑ制御を用いて制御を実行すると、制御が異常に適したものではないので、図７に示すように、負値の部分すなわちブレーキトルクが大きく、また、トルク脈動も大きくなるという問題がある。

これに対し、この発明の実施の形態１の地絡時三相個別制御を使用すれば、相電流指令整形手段５０により異常状態に適した各相の電流指令を生成し、この電流指令を実現するよう構成された制御になっているので、図８に示したモータトルク波形のように、できるだけブレーキトルクの発生を抑え、トルク脈動を小さくすることができる。
また、選択的スイッチング素子オフ手段５３により、ブレーキトルクの発生を避け難い領域で電流経路を減らし、ブレーキトルクを最小化することができる。
また、仮に、異常判定手段３２が、各相独立に検出電流の大きさにより異常を判定した場合には、例えば、判定の閾値に近い大きな電流値に制御している時などに、ノイズや他の相の異常の影響を受けて、誤って異常判定してしまう恐れがある。
しかしながら、この実施の形態１に記載の異常判定手段ならば、各相の検出電流の値をそれぞれの絶対値で評価するだけでなく、３相の検出電流の値を相対的に評価し異常を判定するので、誤判定の恐れを小さくできる。

以上のように、この発明の実施の形態１の制御装置によれば、電動機の配線または、インバータ、または電動機と前記インバータを結ぶ配線に異常が生じ、この異常により過電流が発生する恐れのある場合であっても、異常相切離し手段３４によって、異常が生じた相を切離し、さらに、切離されずに残った相を用いて、正常時電流制御手段３１の代わりに異常時電流制御手段３０によって電流制御を継続し、異常状態に応じた電流指令と電圧指令に基づき各相を個別に制御することができる。
従って、過電流を防止した上で、電動機のトルク出力を継続させ、異常によるトルク脈動を抑制し、モータの動作を改善することができる。

実施の形態２．
図９は、この発明の実施の形態２による異常時電流制御手段３０ｂの制御ブロック線図である。
実施の形態１の図３の地絡時三相個別制御の異常時電流制御手段３０ａにおいては、異常が発生したＶ相に対しても相電流指令を生成し、Ｖ相検出電流も用いて制御したが、実施の形態２においては、図９に示すように、相電流指令整形手段５０はＵ、Ｗ相電流指令のみを生成し、減算器４４、４６によって、Ｕ、Ｗ相電流指令から、Ｕ、Ｗ相検出電流をそれぞれ減算し、この電流偏差をＵ相制御器４４、Ｗ相制御器４６に供給し、各相を個別に制御するようにしたものである。
図９の構成によっても、実施の形態１の地絡時三相個別制御とほぼ等価な制御が可能であり、Ｖ相の地絡時において、地絡時三相個別制御と同じ効果を得ることができる。

実施の形態３．
図１０は、この発明の実施の形態３による異常時電流制御手段３０ｃの制御ブロック線図である。
実施の形態１においては、異常時電流制御手段として図３の地絡時三相個別制御を用いたが、ｄｑ座標上での制御系を用いても同様な制御が可能である。その一つの形態を実施の形態３として以下で説明する。
異常時電流制御手段は、実施の形態１において用いた図３の地絡時三相個別制御の代わりに、図１０に示す異常時電流制御手段３０ｃを実行する。
この図１０に示す制御方式は、正常時に用いるｄｑ制御とほぼ同様であるが、ｄ、ｑ軸制御器の積分項を制限することを特徴とする。
以下で図１０を詳しく説明する。

ｄｑ軸電流指令整形手段８０は、トルク電流指令とモータ回転角度に応じて、ｄ、ｑ軸電流指令を生成する。次に、減算器８３、８４により、ｄ、ｑ軸電流指令から、二相変換手段８６から出力されたｄ、ｑ軸検出電流をそれぞれ減算し、ｄ、ｑ軸電流偏差を算出し、ｄ軸制御器８１、ｑ軸制御器８２に供給する。ｄ、ｑ軸電流制御器８１、８２では、それぞれ、ｄ、ｑ軸電流偏差に、比例ゲイン１１１ｄ、１１１ｑを乗算する比例項と、ｄ、ｑ軸電流偏差を積分器１１３ｄ、１１３ｑにより積分したものに、積分ゲイン１１２ｄ、１１２ｑを乗算する積分項があり、これらをそれぞれ加算して、ｄ、ｑ軸電圧指令を生成する。積分項には、積分項の出力部分に積分項制限手段１１４ｄ、１１４ｑが備えられており、積分項の値を正常時よりも小さく制限することができる。
なお、ここでは、積分項制限手段１１４ｄ、１１４ｑにより、積分項出力を制限するものを示しているが、積分項の積分ゲイン１１２ｄ、１１２ｑを小さく制限しても同様である。また、積分項を零にしてもよい。
三相変換手段８５は、ｄ、ｑ軸電圧指令を、モータ回転角度に応じて三相変換し、Ｕ、Ｖ、Ｗ相電圧指令を発生する。
また、ｄｑ軸電流指令整形手段８０により、トルク電流指令をモータ回転角度に応じて整形したが、このｄｑ軸電流指令整形手段を用いず、トルク電流指令を整形せずにｑ軸電流指令としてもよい。

このようにして、積分項を制限し、さらに、場合によっては、ｑ軸電流指令をｄｑ軸電流指令整形手段により整形することで、基本的にはｄｑ制御を用いながら、異常時電流制御手段を構成することができる。
また、実施の形態３では図１０のような例を示したが、ｄｑ座標上での制御系を用いた異常時電流制御手段は、制御ブロックの線形性に基づく変形により他の形態も存在する。

この発明の実施の形態３の制御装置を使用すれば、積分項を正常時よりも小さく制限し、さらに、ｄｑ軸電流指令整形手段８０により、ｄ、ｑ軸電流指令を整形することで、正常時のｄｑ制御をそのまま継続するよりも、ブレーキトルクの発生を抑え、トルク脈動を小さくすることができる。

なお、以上の実施の形態では、1相が地絡する異常について述べたが、1相が天絡する異常、つまり、モータ配線か、インバータ配線か、モータとインバータを結ぶ配線のうち一箇所が、バッテリの正電位に繋がる配線に短絡する異常、または、インバータの１相の上側スイッチング素子が短絡する異常においても、わずかな変形で同様な制御が可能であり、同様な効果が得られる。

実施の形態４．
実施の形態１は、Ｖ相の、モータ配線か、インバータ配線か、モータとインバータを結ぶ配線のうち一箇所が、バッテリの負電位に繋がる配線に短絡する異常、または、インバータのＶ相の下側スイッチング素子が短絡する異常、すなわち1相の地絡が発生した場合であり、この異常に応じた異常時電流制御手段を説明した。この実施の形態４では、２つの相の間を短絡する異常すなわち相間短絡が発生した場合について説明する。
以下では、例えば、Ｕ相の、モータ配線か、インバータ配線か、モータとインバータを結ぶ配線のうち一箇所が、Ｖ相の、モータ配線か、インバータ配線か、モータとインバータを結ぶ配線のうち一箇所に短絡する異常、すなわちＵＶ間短絡について説明する。

このような異常が発生した場合、図２において、異常判定手段３２は、「Ｕ相とＶ相が異常である」という異常判定信号を、異常時電流制御手段３０と切替え手段３３と異常相切離し手段３４に供給する。
異常相切離し手段３４は、相間短絡が生じたＵ相とＶ相を介して過電流が発生するのを防ぐべく、Ｕ相のスイッチング素子６１Ａ、６１Ｂの駆動を停止する指令をスイッチング素子駆動回路２４に送る。この指令を受けたスイッチング素子駆動回路２４により、Ｕ相スイッチング素子６１Ａ、６１Ｂはオフ状態を継続し、駆動停止状態になる。Ｕ相とＶ相のうち、どちらでもいいが、ここでは、Ｕ相を駆動停止状態とした。
また、異常判定信号によって、異常時電流制御手段３０が作動し、３相異常時電圧指令が切替え手段３３を介して３相電圧指令としてスイッチング素子駆動回路２４に供給される。異常時電流制御手段３０は、異常が生じた相を考慮した電流制御を行うべく、図１１で示す制御方式を実行する。

以下異常時電流制御手段３０の制御動作について、図１１、図４を用いて説明する。
図１１は、ＵＶ間短絡発生時にＵ相スイッチング素子を駆動停止状態にした場合の異常時電流制御手段３０ｄの制御ブロック線図であり、この制御方式を以下「ＵＶ間短絡時三相個別制御」と呼ぶこととする。
この図１１の相電流指令整形手段５０の構成は、図４と同様であるが、Ｗ相電流指令のみ出力する構成でよい。単位相電流指令発生手段５０１における、トルク電流指令と、モータ回転角度と、モータ回転角速度に対する単位相電流指令の関係は、例えば、図１２で示す関係である。

２相間短絡時にはモータトルクが零になるか逆方向にしか発生できないモータ回転角度が存在する。図１２でいうと、６０度と２４０度である。この角度近傍では、順方向のトルクを発生するのに、他の角度領域より大きな電流が必要となる。このため、この角度近傍で、相電流指令を増大することで相電圧指令を増大して、より大きな電流を流す。
これによって、正常なＷ相において、図１２（ｂ）のようなトルクを発生することができる。
また、モータ回転角速度に比例して増大するブレーキトルクを抑制するために、モータ回転角速度に比例して、単位相電流指令を増大させてもよい。

このように前記相間短絡が生じた場合、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継続することで、異常状態に応じた電流指令と電圧指令によって、各相を個別に制御することができる。

ここで、この発明の実施の形態４の効果を示すため、以下で前記相間短絡する異常時における問題点を述べておく。
前記相間短絡する異常時には、短絡箇所と短絡した２相のモータ巻線を介して閉回路ができるため、モータの誘起電力によるブレーキトルクの発生を避け難いモータ回転角度が存在する。このブレーキトルクは、モータの回転を妨げる方向に働くトルクである。
モータ回転角速度がゼロで誘起電力が働かない場合でも、モータトルクが零になるモータ回転角度が存在する。この角度の近傍では、短絡している２相間の誘起電力が特に大きく、また、この誘起電力によるブレーキトルクを打ち消すには電流を増大させる必要があるが、流せる電流には通常上限があるので、ブレーキトルクの発生を抑えるのは困難である。
また、前記相間短絡する異常時に、正常時に使用する制御方式、例えばｄｑ制御を用いて制御を実行すると、制御が異常に適したものではないので、図１３に示すように、負値の領域すなわちブレーキトルクの領域が広く、また、トルク脈動が大きくなるという問題がある。

これに対し、この発明の実施の形態４の制御装置を使用すれば、相電流指令整形手段５０により異常状態に適した各相の電流指令を生成し、この電流指令を実現するよう構成された制御になっているので、前記モータトルクが零になるモータ回転角度近傍で正常な相によるトルクを増大できるので、図１４に示したモータトルク波形のように、できるだけブレーキトルクの発生を抑え、トルク脈動を小さくすることができる。

また、前記相間短絡する異常時においては、短絡箇所とＵ相、Ｖ相スイッチング素子を介して過電流が発生する恐れがあるが、この発明の実施の形態４の制御装置によれば、異常相切離し手段によって、異常が検出された２相のうちどちらか一方のスイッチング素子を駆動停止状態にできるので、過電流を防止することができる。

実施の形態５．
この実施の形態５では、モータ巻線の１相が短絡する異常すなわち１相短絡が発生した場合について説明する。以下では、例えば、Ｕ相の巻線が短絡する異常、すなわちＵ相短絡が発生した場合について説明する。
図１５は、この発明の実施の形態５における電流制御手段２３ａの構成を示すブロック図である。
このような異常が発生した場合、図１５において、異常判定手段３２は、「Ｕ相が異常である」という異常判定信号を、異常時電流制御手段３０と切替え手段３３に供給する。
異常判定信号によって、異常時電流制御手段３０が作動し、３相異常時電圧指令が切替え手段３３を介して３相電圧指令としてスイッチング素子駆動回路２４に供給される。
異常時電流制御手段３０は、異常が生じた相を考慮した電流制御を行うべく、図１６で示す制御方式を実行する。

以下異常時電流制御手段３０の制御動作について、図１６、図４を用いて説明する。
図１６は、Ｕ相短絡発生時にＵ相スイッチング素子を駆動停止状態にした場合の異常時電流制御手段３０ｅの制御ブロック線図であり、この制御方式を以下「Ｕ相短絡時三相個別制御」と呼ぶこととする。
図１６において、相電流指令整形手段５０は、トルク電流指令と、モータ回転角度と、モータ回転角速度に応じて、Ｖ、Ｗ相電流指令を生成する。減算器４５、４６はそれぞれ、Ｖ、Ｗ相電流指令から、電流検出回路２２で得られたＶ、Ｗ相検出電流を減算して各相の電流偏差を算出し、PI制御などで構成されたＶ相制御器４２、Ｗ相制御器４３に供給する。Ｖ、Ｗ相制御器４２、４３はＶ，Ｗ相電圧指令を出力する。Ｕ相短絡時は、Ｕ相電流
検出回路で検出できる電流は、短絡箇所とＵ相巻線を流れる電流の合計であり、Ｕ相巻線に流れる電流を検出できないので、Ｕ相電流には制御器を設けなくてよい。
ただし、Ｕ相電圧指令は、Ｖ、Ｗ相を電圧効率よく制御するために、減算器７６により、Ｖ、Ｗ相電圧指令の符号を変え加算したものをＵ相電圧指令として出力する。
このようにして、図１６に示す異常時制御手段３０ｅは、Ｕ相短絡の異常に応じて、正常な相について個別に制御を実施する。

相電流指令整形手段５０は、例えば実施の形態１の図４に示すような構成である。ただし、この実施の形態５では、Ｕ相電流指令は不要である。
単位相電流指令発生手段５０１において、トルク電流指令と、モータ回転角度と、モータ回転角速度に対する単位相電流指令の関係は、例えば、図１７で示す関係である。
図１７（ａ）の関係を用いて、Ｖ、Ｗ相単位相電流指令を生成し、このような相電流指令が各相巻線の電流として実現できれば、誘起電力がなければ、図１７（ｂ）に示すようなモータトルク波形を得ることができる。
図１７（ａ）の電流指令は、モータ回転角度が６０度から１２０度の辺りと２４０度から３００度の辺りで、大きな値になっている。この角度領域近傍は、短絡したＵ相の誘起電力が増大する領域であり、Ｕ相で発生するブレーキトルク成分の影響を抑えるため、正常なＶ、Ｗ相の電流を増大させ、Ｖ、Ｗ相による順方向トルク成分を増大させることを目指した電流指令になっている。
横軸のモータ回転角度はモータの電気角のスケールである。

ここで、この発明の実施の形態５の効果を示すため、以下で前記相短絡する異常時における問題点を述べておく。
前記1相短絡する異常時には、短絡箇所と短絡した巻線を介して閉回路ができるため、モータの誘起電力によるブレーキトルクの発生を避け難いモータ回転角度が存在する。このブレーキトルクは、モータの回転を妨げる方向に働くトルクである。
前記1相短絡する異常時に、正常時に使用するｄｑ制御を用いて制御を実行すると、制御が異常に適したものではないので、図１８に示すように、ブレーキトルクが大きく、また、トルク脈動も大きくなるという問題がある。

これに対し、この発明の実施の形態５の制御装置を使用すれば、相電流指令整形手段５０により異常状態に適した各相の電流指令を生成し、この電流指令を実現するよう構成された制御になっているので、図１９に示したモータトルク波形のように、できるだけブレーキトルクの発生を抑え、トルク脈動を小さくすることができる。

実施の形態６．
実施の形態１〜５における単位相電流指令発生手段５０１においては、モータ回転角度に対する単位相電流指令の関係に図５で示す関係を適用したが、さらに、この指令値を、モータ回転角速度に応じて、変化させてもよい。例えば、モータ回転角速度の増加に比例して、図５の単位相電流指令を増加させる。
ブレーキトルクの発生が避け難い角度領域においては、ブレーキトルクはモータ回転角速度に比例して増大するので、この実施の形態における単位相電流指令によって、正方向のトルクが可能な角度領域で、モータトルクを増大させることで、平均的にモータ出力を確保することができる。そのため、モータ出力不足になり難くできる。

実施の形態７．
以上の実施の形態で説明した異常時電流制御手段の制御ブロック線図については、それぞれ、構成要素の線形性に基づいた変形が可能であり、線形性に基づいた変形をしても変形前と等価な制御を実施できるので、等価な効果を得ることができる。
図２０は、このような線形性に基づいて、図３に示した異常時電流制御手段３０ａを変形したこの発明の実施の形態７の異常時電流制御手段３０ｆの制御ブロック線図である。
図中、図３との同一符号は、同一もしくは相当部分を示している。
図２０は、図３のＵ相制御器４１とＶ相制御器４２が線形で同じものである場合に、その要素の入力での加減算はそれぞれ計算した後の出力での加減算と等価であるという線形要素の性質より、図３と等価になるよう変形したものである。

なお、以上の実施の形態１〜７においては、主に、３相モータの場合で述べているが、４相以上のモータに対しても各相個別に目標相電流を指定し、個別に制御器を設けることにより、同様に本発明が適用可能であり、同様の効果が得られることは言うまでもない。

実施の形態８．
図２１、図２２はこの発明の実施の形態８を示すもので、上記実施の形態で示したこの発明の電動機制御装置を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。なお、電動パワーステアリング装置が３相ブラシレスモータを備えている場合を例に説明するが、この発明は、多相交流により回転駆動する電動機を動力とする他の装置に対しても使用することができるものである。
図２１はこの発明の実施の形態８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２１において、図示しない運転者からステアリングホイール１に加えられた操舵力は、ステアリングシャフト２を通り、ラック・ピニオンギヤ１２を介して、ラックに伝達され、車輪３、４を転舵させる。Ｕ、Ｖ、Ｗ相の３相の巻線を備えたブラシレスモータ５（以下モータとも言う）は、モータ減速ギア７を介してステアリングシャフト２と連結している。モータから発生するモータトルク（以下補助力とも言う）は、モータ減速ギア７を介してステアリングシャフト２に伝達され、操舵時に運転者が加える操舵力を軽減する。
トルクセンサ８は、運転者がステアリングホイール１を操舵することによりステアリングシャフト２に加わった操舵力を検出する。コントローラユニット９は、トルクセンサ８で検出した操舵力に応じて、モータ５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電源１１からモータに流れる電流を制御する。なお、６は、モータの回転角度を検出するモータ角度センサである。

図２２は、コントローラユニット９の構成を示すブロック図である。
図２２において、コントローラユニット９は、モータトルクの目標値に相当するトルク電流指令を算出するマップ２０と、電動機制御装置１０で構成される。
出力すべきモータトルクをあらかじめ記憶しているマップ２０は、トルクセンサ８で検出した操舵力に応じたモータトルクの方向と大きさを決定し、トルク電流指令を算出する。電動機制御装置１０は、トルク電流指令を実現すべく、モータ各相に流れる電流を制御する。この電流によって、モータ５による補助力が発生する。
この電動機制御装置１０は、例えば、実施の形態１〜３のいずれかで示したものである。

ここで、電動パワーステアリング装置における１相が地絡する異常時の問題点について説明する。
実施の形態１においても述べたが、１相が前記地絡する異常時には、地絡箇所を介した閉回路ができるため、モータの誘起電力によるブレーキトルクの発生を避け難いモータ回転角度が存在する。このブレーキトルクは、モータの回転を妨げる方向に働くトルクである。また、１相が前記地絡する異常時において、正常時に使用するｄｑ制御を用いて制御を実行すると、制御が異常に適したものではないので、ブレーキトルクが大きく、また、正負にトルク脈動が大きくなるという問題がある。
したがって、電動パワーステアリング装置の場合、運転者の感じる違和感が大きい。
一方、上記のように構成された電動パワーステアリング装置によれば、１相が前記地絡する異常の場合、できるだけブレーキトルクの発生を抑え、トルク脈動を小さくすることができる。また、選択的スイッチング素子オフ手段により、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る。そのため、運転者の感じる違和感を小さくできる。

なお、以上で述べた電動機制御装置は、実施の形態１〜３で示したものであったが、実施の形態４で示した電動機制御装置を用いてもよい。以下では、2相が相間短絡する異常が発生した場合について述べる。
また、電動パワーステアリング装置における２相が相間短絡する異常時の問題点について説明する。
前記相間短絡する異常時には、短絡箇所と短絡した２相のモータ巻線を介して閉回路ができるため、モータの誘起電力によるブレーキトルクの発生を避け難いモータ回転角度が存在する。このブレーキトルクは、モータの回転を妨げる方向に働くトルクである。モータ回転角速度がゼロで誘起電力が働かない場合でも、モータトルクが零になるモータ回転角度が存在する。この角度の近傍では、短絡している２相間の誘起電力が特に大きく、また、この誘起電力によるブレーキトルクを打ち消すには電流を増大させる必要があるが、流せる電流には通常上限があるので、ブレーキトルクの発生を抑えるのは困難である。
また、前記相間短絡する異常時に、正常時に使用するｄｑ制御を用いて制御を実行すると、制御が異常に適したものではないので、ブレーキトルクが大きく、また、正負にトルク脈動が大きくなるという問題がある。
したがって、電動パワーステアリング装置の場合、運転者の感じる違和感が大きい。
一方、上記のように実施の形態４で示された電動機制御装置により構成された電動パワーステアリング装置を用いれば、２相が相間短絡する異常の場合、できるだけブレーキトルクの発生を抑え、トルク脈動を小さくすることができる。そのため、運転者の感じる違和感を小さくできる。

また、実施の形態１〜４で示した電動機制御装置を用いる代わりに、実施の形態５で示した電動機制御装置を用いてもよい。以下では、１相短絡の異常が発生した場合について述べる。
電動パワーステアリング装置における１相短絡する異常時の問題点について説明する。
前記1相短絡する異常時には、短絡箇所と短絡した巻線を介して閉回路ができるため、モータの誘起電力によるブレーキトルクの発生を避け難いモータ回転角度が存在する。
このブレーキトルクは、モータの回転を妨げる方向に働くトルクである。
前記1相短絡する異常時に、正常時に使用するｄｑ制御を用いて制御を実行すると、制御が異常に適したものではないので、ブレーキトルクが大きく、また、正負にトルク脈動が大きくなるという問題がある。
したがって、電動パワーステアリング装置の場合、運転者の感じる違和感が大きい。
一方、上記のように実施の形態５で示された電動機制御装置により構成された電動パワーステアリング装置を用いれば、１相短絡の異常が発生した場合、できるだけブレーキトルクの発生を抑え、トルク脈動を小さくすることができる。そのため、運転者の感じる違和感を小さくできる。

また、実施の形態６で示した電動機制御装置を用いると、正方向のトルクが可能な角度領域で、モータトルクを増大させることで、平均的にモータ出力を確保することができるので、運転者の感じる違和感を小さくできる。

本発明の実施の形態１による電動機制御装置の全体構成を示す概略ブロック図である。 本発明の実施の形態１における電流制御手段の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１における異常時電流制御手段の制御ブロック線図である。 本発明の実施の形態１における相電流指令整形手段の構成の一例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１における単位目標相電流とモータトルク波形の一例を示す図である。 電動機制御装置において1相が地絡する異常時の電流波形とブレーキトルクの一例を示す図である。 従来の制御を用いた場合の、1相が地絡する異常時におけるモータトルク波形図である。 本発明の実施の形態１による電動機制御装置を用いた場合の、1相が地絡する異常時におけるモータトルク波形図である。 本発明の実施の形態２における異常時電流制御手段の制御ブロック線図である。 本発明の実施の形態３における異常時電流制御手段の制御ブロック線図である。 本発明の実施の形態４における異常時電流制御手段の制御ブロック線図である。 本発明の実施の形態４における単位目標相電流とモータトルク波形の一例を示す図である。 従来の制御を用いた場合の、２相間が短絡する異常時におけるモータトルク波形図である。 本発明の実施の形態４による電動機制御装置を用いた場合の、２相間が短絡する異常時におけるモータトルク波形図である。 本発明の実施の形態５における電流制御手段の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態５における異常時電流制御手段の制御ブロック線図である。 本発明の実施の形態５における単位目標相電流とモータトルク波形の一例を示す図である。 従来の制御を用いた場合の、１相が短絡する異常時におけるモータトルク波形図である。 本発明の実施の形態５による電動機制御装置を用いた場合の、１相が短絡する異常時におけるモータトルク波形図である。 本発明における異常時電流制御手段の制御ブロック線図である。 本発明の実施の形態８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。 本発明の実施の形態８におけるコントローラユニットの構成を示すブロック図である。

符号の説明

５：モータ １０：電動機制御装置 １１：バッテリ
２１：モータ回転角度検出回路
２２：電流検出回路 ２３：電流制御手段 ２４：スイッチング素子駆動回路
２５：インバータ ３０：異常時電流制御手段 ３１：正常時電流制御手段
３２：異常判定手段 ３３：切替え手段 ３４：異常相切離し手段
４１、４２、４３：Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相制御器 ５０：相電流指令整形手段
６１Ａ、６２Ａ、６３Ａ、６１Ｂ、６２Ｂ、６３Ｂ：スイッチング素子

Claims (14)

1. 電動機の各相に流れる電流を検出する電流検出回路、電動機が発生するトルクの目標値に相当するトルク電流指令と前記電流検出回路からの各相の検出電流に応じて多相電圧指令を決定する電流制御手段、この電流制御手段からの多相電圧指令に基づいてインバータへスイッチング操作を指示するスイッチング素子駆動回路、このスイッチング素子駆動回路からのスイッチング操作信号を受けて動作し、前記電動機の各相に供給される電流を制御するスイッチング素子から成るインバータを備えた多相交流電動機の電動機制御装置であって、前記電流制御手段は、さらに、正常時に使用する正常時電流制御手段、異常時に使用する異常時電流制御手段、前記電動機の配線または、前記インバータ、または前記電動機と前記インバータを結ぶ配線の異常状態を判定する異常判定手段、および異常相切離し手段、を備えており、前記異常相切離し手段は、前記異常判定手段が判定した異常な相の内１つ以上を回路から切り離し、前記異常時電流制御手段は、前記異常判定手段が判定した前記異常状態に応じた異常時電圧指令を発生し、この異常時電圧指令を多相電圧指令とし、前記インバータの前記切り離された相以外の相を用いて電流制御を実行することを特徴とする電動機制御装置。
2. 電動機の各相に流れる電流を算出する電流検出回路、電動機が発生するトルクの目標値に相当するトルク電流指令と前記電流検出回路からの各相の検出電流に応じて多相電圧指令を決定する電流制御手段、この電流制御手段からの多相電圧指令に基づいてインバータへスイッチング操作を指示するスイッチング素子駆動回路、このスイッチング素子駆動回路からのスイッチング操作信号を受けて動作し、前記電動機の各相に供給される電流を制御するスイッチング素子から成るインバータ、を備えた多相交流電動機の電動機制御装置であって、前記電流制御手段は、さらに、正常時に使用する正常時電流制御手段、異常時に使用する異常時電流制御手段、前記電動機の配線または、前記インバータ、または前記電動機と前記インバータを結ぶ配線の異常状態を判定する異常判定手段を備えており、前記異常時電流制御手段は、前記異常判定手段が判定した異常状態に応じた異常時電圧指令を発生し、これを多相電圧指令とし、前記インバータの異常が生じた相も正常な相も用いて電流制御を実行することを特徴とする電動機制御装置。
3. 前記異常判定手段は、３相以上の前記検出電流に基づいて異常状態を判定するものであって、いずれかの相の検出電流の大きさが事前に定められた値以上に留まり、かつ、他の相の検出電流は事前に定められた値以下に留まっている時間の長さが、事前に定めた値に達した時に、その相は異常状態であると判定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動機制御装置。
4. 前記異常時電流制御手段は、さらに、トルク電流指令に応じて各相の相電流指令を発生する相電流指令整形手段と、この相電流指令整形手段からの相電流指令と前記検出回路で検出された検出電流との偏差が入力され、この電流偏差に基づいて前記異常時電圧指令を生成する相電流制御手段を備え、前記相電流制御手段は１つ以上の相に個別に設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動機制御装置。
5. 前記異常相切離し手段は、異常な相の内いずれか1つ以上の相のスイッチング素子をオフ状態で駆動停止することで、異常な相の内いずれか1つ以上の相を回路から切り離す事を特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置。
6. 前記電動機制御装置は、さらに、電動機の回転角度を算出する回転角度検出手段を備えており、前記異常時電流制御手段は、前記回転角度に応じて一時的に、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こと特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置。
7. 前記異常時電流制御手段は、トルク電流指令とモータ回転角度に応じてｄ軸電流指令とｑ軸電流指令を生成するｄｑ軸電流指令整形手段と、このｄ、ｑ軸電流指令と二相変換手段から出力されるｄ、ｑ軸検出電流との電流偏差が入力され、この偏差入力に基づいてｄ、ｑ軸電圧指令を生成するｄ軸制御器およびｑ軸制御器を備え、前記ｄ軸制御器とｑ軸制御器には、前記電流偏差を積分する積分器の出力に積分ゲインが乗算される積分項出力に対し、積分項の値を小さく制限する積分項制限手段を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の電動機制御装置。
8. 前記異常の内容は、前記電動機の配線または、前記インバータ、または前記電動機と前記インバータを結ぶ配線の、１箇所が、前記インバータに電力を供給するバッテリの負電位または正電位に繋がる配線に短絡する異常であり、前記異常時電流制御手段は、この異常状態に応じた異常時電圧指令を生成することを特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置。
9. 前記異常の内容は、前記インバータの各相につきそれぞれ備えられた上側スイッチング素子または下側スイッチング素子が短絡する異常であり、
   前記異常時制御手段は、この異常状態に応じた異常時電圧指令を生成することを特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置。
10. 前記異常の内容は、前記電動機の配線の２箇所、または、前記インバータの２箇所、または、前記電動機と前記インバータを結ぶ配線の２箇所、が短絡する異常であり、前記異常時制御手段は、この異常状態に応じた異常時電圧指令を生成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動機制御装置。
11. 前記相電流制御手段は、相電流指令整形手段からの相電流指令と前記検出回路で検出された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、前記異常時電圧指令を生成することを特徴とする請求項４に記載の電動機制御装置。
12. 異常の内容が、２つ以上の相の間を短絡する異常である場合、前記異常相切離し手段により、これらの異常な相のうち１つ以上の相を切り離し、残りの相のインバータを用いて、個別の相電流制御手段により、個別に電流制御を実行し、電動機の出力トルクが零になるか逆方向にしか発生できないモータ回転角度近傍において、前記異常時電圧指令または異常時電流指令を増大させることを特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置。
13. 異常の内容が、前記電動機の１つの相の巻線が短絡する異常である場合、異常相切離し手段により異常な相を切り離すことなく、個別の相電流制御手段により、個別に電流制御を実行し、異常が発生した相の誘起電圧が増大するモータ回転角度近傍で、前記異常時電圧指令または異常時電流指令を増大させることを特徴とする請求項２に記載の電動機制御装置。
14. 前記異常時電流制御手段は、回転角速度と回転角度のいずれかまたは両方を用いて、前記異常時電圧指令、または、前記異常時電流指令を補正することを特徴とする請求項４に記載の電動機制御装置。
    

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