JPWO2016038683A1 - 多相交流モータ駆動用インバータ装置 - Google Patents

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Abstract

相毎のアーム回路の故障検出および正常な相だけによる運転の技術はあるが、故障の相の閉回路によるブレーキトルクの発生を問題視して、インバータ回路への電源ラインに第１の電源用スイッチング素子１５と、インバータ回路のアーム回路の相毎に第２の電源用スイッチング素子３５と、各相からの出力経路にモータリレー用スイッチング素子３４とを設け、前記第１の電源用スイッチング素子１５及び第２スイッチング素子３５の寄生ダイオードが異なる方向の特性のダイオードとして閉回路の形成を防いだ多相交流モータ駆動用インバータ装置。

Description

この発明は、多相交流モータ駆動用インバータ装置に関するもので、特に、インバータ回路に故障が発生した場合に対応し得る多相交流モータ駆動用インバータ装置に関するものである。
多相交流モータは様々なところで使用され、例えば、電動パワーステアリング装置もその一つである。多相交流モータに供給される電力は多相交流モータ駆動用インバータ装置によって制御されている。以下、多相交流モータとして、三相交流モータを一例として取り上げて説明する。電動パワーステアリング装置は、運転者によるステアリングの操舵トルクを軽減する装置であって、電源、モータ、センサ、三相交流モータ駆動用インバータ装置及び制御装置が組み合わされて構成されており、運転者の操舵トルクの回転角速度の方向と大きさをセンサによって検出し、三相交流モータ駆動用インバータ装置によって、電源の電力を必要な大きさの電力に変換してモータに供給し、モータによるアシストトルクを操舵トルクに付与するシステムである。
三相交流モータ駆動用インバータ装置が使用される電動パワーステアリング装置においては、従来から、モータあるいはインバータ装置に故障が発生した場合を想定して、様々な対応策が検討されてきた。また、故障の検出についても様々な提案が行われている。故障が検出された場合、故障部分を全体の回路構成から切り離すことが行われる。そのため、例えば、モータのＵ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルに接続されるインバータ回路のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のアーム回路のそれぞれの間にモータリレーを設け、モータが故障した場合にインバータ回路との切り離しを行うこと、およびインバータ装置と電源との間に電源リレーを設けて、電力の供給を遮断することが提案されている。確かに、全体的な系統の故障に対しては、速やかにモータを停止することが一策となるが、モータを停止することによって、ステアリング特性が大きく変化し、ステアリング操作に大きな操舵力が必要になるという問題がある。
このため、特許文献１においては、モータの三相のうちの何れか一相のみが故障した場合に、故障した相以外の相を通電相として、モータの駆動を継続し、操舵に対するアシストトルクの付与を続行するために故障の発生した相の特定を行う方法を提案している。
この提案の前提として、三相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）のモータコイルのうちいずれか一相のみについての通電不良の場合に、通電不良の相以外の二相を通電相としてモータ制御を続行することが開示されている。
特開２００９−１０５５号公報
インバータ回路のアーム回路に故障が生じた場合を想定した対策として、モータの動作に注目し、モータトルクに大きな変動が生じないように、故障の相をモータリレーによって切り離す提案が行われているが、モータリレーには寄生ダイオードがあり、また、逆接続防止およびモータの回転による回生エネルギーの利用のために、ダイオードを付加していることがあるため、モータリレーの寄生ダイオードあるいは付加されたダイオードによって閉回路が形成され、その閉回路に電流が流れると、モータにブレーキトルクが加わるという問題がある。
この発明は、前述のブレーキトルクの発生の問題を解決するために行われたもので、インバータ回路のアーム回路の１相に故障が発生した場合、この故障の相のみを切り離すことにより、残りの相でモータ駆動を継続し得ると共に、できる限り少ない部品の追加とその接続の向きに条件を付けるだけで、ブレーキトルクを発生させる要因となる閉回路の形成を防止し得る多相交流モータ駆動用インバータ装置を提供することを目的とするものである。
この発明は、前述の目的を達成するために、電源と多相交流モータとの間に接続され、前記多相交流モータに前記電源の電力を多相交流に変換して供給するインバータ回路、前記電源と前記インバータ回路との間に設けられ前記電源と前記インバータ回路との間の電路を開閉する第１の電源用スイッチング素子、前記インバータ回路の各相毎の出力点と前記多相交流モータとの間に設けられ前記出力点と前記多相交流モータとの間の電路を開閉するモータリレー用スイッチング素子、前記電源から見て第１の電源用スイッチング素子よりも下流側で、前記インバータ回路の各相毎に設けられた第２の電源用スイッチング素子、および前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子と前記モータリレー用スイッチング素子と前記インバータ回路のスイッチング制御を行う制御回路を備え、前記第１のスイッチング素子に対して並列に、電流供給方向と順方向に接続された第１のダイオードが設けられ、前記第２のスイッチング素子に対して並列に、電流供給方向と逆方向に接続された第２のダイオードが設けられたものである。
また、第２の電源用スイッチング素子を、インバータ回路内の上側のアーム回路のスイッチング素子の上流側に配置した場合には、モータリレー用スイッチング素子に対して並列に、多相交流モータの相巻線に流れ込む方向のダイオードを接続したものである。
また、第２の電源用スイッチング素子を、インバータ回路内の下側のアーム回路のスイッチング素子の下流側に配置した場合には、モータリレー用スイッチング素子に対して並列に、多相交流モータの相巻線から流れ出る方向のダイオードを接続したものである。
この発明によれば、各相に電源用スイッチング素子を独立に挿入することで、故障の発生した相を切り離して、残りの相のみでモータ駆動を継続することができると共に、電源リレーおよびモータリレー用スイッチング素子に対して並列に接続されるダイオードの方向を規定することによって、ブレーキトルクを発生させる要因となる閉回路の形成を防止するものである。
実施の形態１に係る三相交流モータ駆動用インバータ装置を含む電動パワーステアリング装置の全体構成回路図である。 実施の形態２に係る三相交流モータ駆動用インバータ装置を含む電動パワーステアリング装置の全体構成回路図である。 実施の形態３に係る三相交流モータ駆動用インバータ装置を含む電動パワーステアリング装置の部分回路図である。 実施の形態３に係る三相交流モータ駆動用インバータ装置を含む電動パワーステアリング装置の部分回路図である。
以下、この発明による多相交流モータ駆動用インバータ装置（以下、インバータ装置という）の説明のため、三相交流モータ（以下、モータという）を用いた電動パワーステアリング装置を取り上げて、図面に基づいて説明する。なお、図面中、同一の符号はそれぞれ同一又は相当する部分を示している。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１のインバータ装置を含む電動パワーステアリング装置の全体構成回路図である。電動パワーステアリング装置において、インバータ装置１は、車両に搭載された電源６からの電流をモータ２に供給するように構成されている。
インバータ装置１は、インバータ回路３と制御回路４とを備えており、モータ２には回転センサ５が設けられ、回転センサ５によって検出された情報は制御回路４へ入力される。電源６からインバータ回路３の間には、制御回路４の動作を開始させるイグニッションスイッチ７と、電源６の電源ライン（+Ｂ、−グランド）にノイズ対策のためのコンデンサ及びコイルと、インバータ回路３への電流をＯＮ・ＯＦＦするリレー機能を有する第１の電源用スイッチング素子１５が設けられている。この第１の電源用スイッチング素子１５は、例えば、半導体素子のＦＥＴであって、このＦＥＴに対して寄生ダイオードは電流の供給方向に対して順方向に配置され、誤って電源６に逆方向に接続しても、電流を遮断することによって保護するように構成されている。
インバータ回路３は、図１に示すように、モータ２の３相巻線（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の各相に対して上下アーム回路にスイッチング素子３１Ｕ、３２Ｕが２個ずつ、計６個（Ｕ相のみ符号を記載、他の相はＵ相と同一として省略している）と、モータ２の巻線とスイッチング素子３１Ｕ、３２Ｕ間の電路を開閉するリレー機能を有したモータリレー用スイッチング素子３４Ｕが設けられている。また、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のアーム回路毎に、ノイズを抑制するためにコンデンサ３０Ｕが接続されている。また、各相のアーム回路毎に、モータ２に流れる電流を検出するためにシャント抵抗３３Ｕが設けられている。更に、各相のアーム回路の入力側に第２の電源用スイッチング素子３５Ｕが設けられている。この第２の電源用スイッチング素子３５Ｕによって、相毎にアーム回路に入力される電流をＯＮ・ＯＦＦすることができる。
インバータ回路３に設けられたスイッチング素子３１Ｕ、３２Ｕ、およびモータリレー用スイッチング素子３４Ｕは、それぞれ半導体素子で、例えばＮチャンネルＭＯＳＦＥＴであり、図に示した方向の寄生ダイオードが並設されている。なお、一般的に、寄生ダイオードは、回路図上では記入しないが、ソースとドレインの関係を理解し易くするために敢えて記入し、ソースとドレインの関係を表わすことに代えて、ダイオードの向きで表現している。上側および下側のアーム回路にそれぞれに設けられたスイッチング素子３１Ｕ、３２Ｕおよびモータリレー用スイッチング素子３４Ｕは、制御回路４からの指令に基づいて、それぞれＰＷＭ（パルス幅変調）制御され、アーム回路のスイッチング素子３１Ｕ，３２ＵのＯＮ・ＯＦＦにより直流電源６から供給される直流の電力を交流に変換してモータ２の三相に供給することができる。また、第２の電源用スイッチング素子３５Ｕについても、ＦＥＴのような半導体素子で構成する場合には、寄生ダイオードが電流供給方向に対して逆の方向になるように配置して、ゲートがＯＦＦされた場合に電流を完全に遮断することが必要である。
インバータ装置１内の制御回路４は、車速センサ、ステアリングの操舵トルクを検出するトルクセンサ等のセンサ８からの情報に基づいて、モータ２の巻線へ供給する電流のための制御量を演算するＣＰＵ１０と、第１の電源用スイッチング素子１５、アーム回路に設けられた各相のスイッチング素子３１Ｕ、３２Ｕ、モータリレー用スイッチング素子３４Ｕおよび第２の電源用スイッチング素子３５Ｕのスイッチング動作を制御する駆動回路１１と、インバータ回路３内の各部の電圧又は電流を検出するモニタ回路１２と、回転センサ５からの信号を受ける回転角検出回路１３とを備えている。
制御回路４において、ＣＰＵが、センサ８からの入力情報に基づき、モータ２の巻線へ供給する電流を演算し、その結果を駆動回路１１に出力し、駆動回路１１が、インバータ回路３の各スイッチング素子３１Ｕ、３２Ｕ、３４Ｕ、３５Ｕに対し信号を出力する。インバータ回路３において、各相のスイッチング素子３１Ｕ、３２Ｕ、３４Ｕ、３５Ｕが、駆動回路１１からの駆動信号に基づいて駆動され、電流がモータ２の各相の巻線に流れる。また、その供給された電流値をモニタ回路１２で検出し、ＣＰＵ１０の演算値（目標値）との偏差に応じてフィードバック制御する。一方、駆動回路１１は、第１の電源用スイッチング素子１５を制御すると共に、回転センサ５、回転角検出回路１３を介してモータ２の回転位置、速度をＣＰＵ１０によって演算している。なお、説明は、Ｕ相について説明しているが、Ｖ相およびＷ相についても同様の取り扱いが行われることになる。
以上のように構成されたインバータ装置において、インバータ回路３のスイッチング素子の故障、特に短絡故障を想定する。故障の検出は、回路に対して直列接続されたシャント抵抗３３Ｕの端子間電圧に基づき電流検出を行う構成によって行われる。すなわち、相毎に取得された電流値と基準値とを比較することによって故障している相を特定することができる。このように故障の相が特定されると、故障の相の第２の電源用スイッチング素子３５Ｕとモータリレー用スイッチング素子３４ＵとをＯＦＦにすることによって、故障の相を完全に切り離す。すなわち、第２の電源用スイッチング素子３５Ｕの寄生ダイオードからも流入しないように、また、モータリレー用スイッチング素子３４Ｕの寄生ダイオードからも流出しないように接続を切替え、故障の発生した相のみを完全に遮断した状態になるようにしている。
例えば、Ｕ相の上側アーム回路または下側アーム回路のスイッチング素子３１Ｕまたは３２Ｕのいずれかが故障であって、Ｕ相が故障の相であると特定された場合には、モータリレー用スイッチング素子３４Ｕと第２の電源用スイッチング素子３５ＵとをＯＦＦにして、インバータ回路３のＵ相のアーム回路を電気的に切り離すことができるようにしている。
また、各相のアーム回路内のコンデンサ３０Ｕあるいはアーム回路内の配線において、何らかの故障が発生した場合においても同様に、モータリレー用スイッチング素子３４Ｕと第２の電源用スイッチング素子３５ＵとをＯＦＦにして、相単位で、故障の相を電気的に切り離す。
このように、モータリレー用スイッチング素子３４Ｕと第２の電源用スイッチング素子３５ＵとをＯＦＦにして、インバータ回路３から故障の相を電気的に切り離すことによって、閉回路を形成することがなく、ブレーキトルクの発生を防止できることになる。
故障の相を電気的に切り離した後は、正常に動作する残りの２相によってインバータ回路を動作させ、インバータスイッチングを継続し、２相駆動としてモータ２への電流の供給を継続する。
実施の形態２．
次に、実施の形態２について、図２を用いて説明する。実施の形態１の図１とこの実施の形態２の図２の差異は、インバータ回路３内に設けられた第２の電源用スイッチング素子３７Ｕの位置が、図１の第２の電源用スイッチング素子３５Ｕと異なる点と、モータリレー用スイッチング素子３６Ｕの寄生ダイオードの向きが、図１のモータリレー用スイッチング素子３４Ｕの寄生ダイオードの向きと異なるものである。その他は同一のため同一符号を付している。
この実施の形態２は、モータリレー用スイッチング素子３６Ｕの寄生ダイオードが、実施の形態１と逆向きとなる素子を使用した場合に、同一目的・課題に対して同一の効果を奏するためになされたものである。この実施の形態２においても、実施の形態１と同様に、上側又は下側アーム回路用のスイッチング素子３１Ｕ、又は３２Ｕが短絡した場合、Ｕ相のアーム回路を電源ラインから切り離す必要がある。そのために、第２の電源用スイッチング素子３７Ｕを電源ラインの上側・下側アーム回路のスイッチング素子３１Ｕ、３２Ｕの上流、又は下流のいずれかに挿入する必要がある。実施の形態２ではモータリレー用スイッチング素子３６Ｕの寄生ダイオードの向きが、モータ巻線より電流が流出する方向であるため、例えば下側アーム回路のスイッチング素子３２Ｕが短絡故障した場合は、モータリレー用スイッチング素子３６Ｕを介して、下側アーム回路のスイッチング素子３２Ｕまで電流経路ができてしまう。そこで下側アーム回路のスイッチング素子３２Ｕの下流であって、かつシャント抵抗３３Ｕの下流側に第２の電源用スイッチング素子３７Ｕを挿入することでこれを解決する。但し、シャント抵抗３３Ｕは、電流を検出する目的のために設けたものであるので、電流の検出あるいは故障部分の検出手段として他の手段が存在するのであれば、必ずしもシャント抵抗３３Ｕに対する第２の電源用スイッチング素子３７Ｕの位置関係は必要な条件ではない。
また、コンデンサ３０Ｕの短絡故障も考慮して、コンデンサ３０Ｕの下流端は第２の電源用スイッチング素子３７Ｕの上流、つまりシャント抵抗３３Ｕとの接続点に接続する。この構成は、Ｖ相、Ｗ相も同様に構成することで、各スイッチング素子３１Ｕ、３２Ｕ、コンデンサ３０Ｕの短絡故障時にその相のみを切り離すことができることによって、閉回路を構成することがないため、残った２相でモータ駆動を継続できると共に、故障相によるブレーキトルクの発生も回避できる。すなわち、インバータ回路３内の各相の上下アーム回路のスイッチング素子３１Ｕ、３２Ｕと並列に、相毎にコンデンサを配置したものである。
以上のように、第２の電源用スイッチング素子３７Ｕを各相の電源ラインにそれぞれ挿入することで、故障した相のみを切り離し、残った相でモータ駆動を継続することができると共に、故障時の切り離しによりブレ−キトルクの発生を防止することができる。
実施の形態３．
次に、電流検出のためのシャント抵抗３３を１本とした場合を説明する。１本のシャント抵抗３３であっても実施の形態１、及び２と同様に考え、また第２の電源用スイッチング素子３５Ｕ、３７Ｕの配設場所により２種類が考えられる。図３及び図４に１本シャント３３であって、第２の電源用スイッチング素子３５、３７の違いにより２通りの部分回路図を示した。
図３は、実施の形態１として示したように、第２の電源用スイッチング素子３５をインバータ回路３のアーム回路の上流側に配設したものである。シャント抵抗３３は下側のアーム回路のスイッチング素子３２の下流に３相をまとめて接続し、１本配配設している。さらにコンデンサ３０の短絡時であってもその相を切り離すことができるようにコンデンサ３０の−端子はシャント抵抗の下流側のグランド線にそれぞれ接続されている。
同様に、図４は、実施の形態２における第２の電源用スイッチング素子３７を下流側に配設したものである。この場合、シャント抵抗３３は最上流側に配設する必要がある。つまり第１の電源用スイッチング素子１５の下流側に配設することで同様な効果を奏することができる。さらにコンデンサ３０についてもシャント抵抗３０の上流側に＋端子をそれぞれ接続する。
以上のようにシャント抵抗３３が１本であっても、第２の電源用スイッチング素子３７を適切な場所に配設することにより、スイッチング素子３１Ｕ，３２Ｕが短絡した場合、さらにはコンデンサ３０が短絡した場合にその相の電路のみを切り離すことができ、無駄なブレーキトルクを発生することもなく、モータ駆動を継続することができる。
なお、シャント抵抗３３を１本にした場合、シャント抵抗３３による各相の電流の検出は、電流検出のタイミングを調整することで可能であり、さらには各相のＰＷＭ駆動位相をずらして検出タイミングを確実に確保する処理を行うことで取得精度が向上する。このように母線へのシャント抵抗３３を１本にした場合でも任意の相の電流を検出することが可能なため、相毎の故障を検出することが可能である。
また、シャント抵抗を３本または１本とした構成において，相毎の故障に関しては各スイッチング素子のドレイン―ソース間電圧を監視することでも可能である。これはスイッチング素子をオンした際のドレイン―ソース間電圧が異常に大きいことや、スイッチング素子をオフした際のドレイン―ソース間電圧が異常に小さいことを検出することによって等、故障を検出することが可能である。
なお、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、変形、省略したりすることが可能である。

Claims (7)

  1. 電源と多相交流モータとの間に接続され、前記多相交流モータに前記電源の電力を多相交流に変換して供給するインバータ回路、前記電源と前記インバータ回路との間に設けられ前記電源と前記インバータ回路との間の電路を開閉する第１の電源用スイッチング素子、前記インバータ回路の相毎の出力点と前記多相交流モータとの間に設けられ前記出力点と前記多相交流モータとの間の電路を開閉するモータリレー用スイッチング素子、前記電源から見て第１の電源用スイッチング素子よりも下流側で、前記インバータ回路の相毎に設けられた第２の電源用スイッチング素子、および前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子と前記モータリレー用スイッチング素子と前記インバータ回路のスイッチング制御を行う制御回路を備え、前記第１のスイッチング素子に対して並列に、電流供給方向と順方向に接続された第１のダイオードが設けられ、前記第２のスイッチング素子に対して並列に、電流供給方向と逆方向に接続された第２のダイオードが設けられたことを特徴とする多相交流モータ駆動用インバータ装置。
  2. 前記インバータ回路の内には、相毎に上側及び下側の、スイッチング素子を有するアーム回路が設けられており、前記第２の電源用スイッチング素子は、前記インバータ回路の上側の前記アーム回路の前記スイッチング素子の上流側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の多相交流モータ駆動用インバータ装置。
  3. 前記インバータ回路の内には、相毎に上側及び下側の、スイッチング素子を有するアーム回路が設けられており、前記第２の電源用スイッチング素子は、前記インバータ回路の下側の前記アーム回路の前記スイッチング素子の下流側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の多相交流モータ駆動用インバータ装置。
  4. 前記モータリレー用スイッチング素子に対して並列に、前記多相交流モータの相巻線に流れ込む方向のダイオードを接続したことを特徴とする請求項２に記載の多相交流モータ駆動用インバータ装置。
  5. 前記モータリレー用スイッチング素子に対して並列に、前記多相交流モータの相巻線から流れ出る方向のダイオードを接続したことを特徴とする請求項３記載の多相交流モータ駆動用インバータ装置。
  6. 前記インバータ回路の内の各相の上下アーム回路のスイッチング素子と並列に、相毎にコンデンサを配置したことを特徴とする請求項１から５のいずれか１に記載の多相交流モータ駆動用インバータ装置。
  7. 電流を検出するためのシャント抵抗を、上下アーム回路のスイッチング素子に対して直列に配設し、前記コンデンサを前記上下アーム回路のスイッチング素子と前記シャント抵抗の直列接続された相に対して並列に挿入したことを特徴とする請求項６に記載の多相交流モータ駆動用インバータ装置。
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