JPWO2016135805A1 - 電動駆動装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

通常運転時において、巻線に供給される電流を、巻線およびインバータ回路を含む熱的結合体の発熱性および放熱性から決定される正常時電流制限値未満となるように制御する電動駆動装置であって、巻線およびインバータ回路の各群または各相の異常を検出したときには、巻線の異常発生群の全ての相または継続運転が不可能な相への電流供給を停止または低減するとともに、継続運転が可能な巻線に供給する電流の制限値を、電流供給の停止または低減によって熱的結合体の発熱性が改善された範囲内において、正常時電流制限値よりも大きい異常時電流制限値として再設定する。

Description

本発明は、互いに独立に駆動可能な複数群のモータ巻線およびインバータ回路を有する電動駆動装置およびその制御方法に関するものである。

電動パワーステアリング装置に用いられる電動駆動装置には、互いに独立に駆動可能な２群のモータ巻線およびインバータ回路を有するものがある。これにより、一方のモータ巻線およびインバータ回路の群に異常が発生した場合でも、他方の正常な群によりモータ駆動を継続できるようにしている。

このような従来の電動駆動装置として、制御ユニットのインバータ回路内のスイッチング素子がショート故障した場合には、正常な群のモータ駆動出力を増大することにより、故障による急激なブレーキトルクの影響を抑制するものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、別の電動駆動装置として、スイッチング素子がオープン故障した場合に、異常が発生した群であっても継続運転が可能な相については継続動作し、異常が発生した相のトルク減少分だけ正常な相の出力を増加させるものがある（例えば、特許文献２参照）。

更に、別の電動駆動装置として、複数のモータにおいて１つのモータが故障した場合に、正常なモータの電流制限値を引き上げることで、異常が発生したモータのトルク減少を補うものがある（例えば、特許文献３参照）。

特許第４８３１５０３号公報 特許第４９９８８３６号公報 特許第３９５３９３２号公報

特許文献１では、通常運転時においては、モータ駆動を仕様通りの１００％駆動とし、異常発生時には、正常なインバータ回路で５０％以上の駆動を行うことにより、全体としては５０％のモータ駆動を維持している。

しかしながら、特許文献１では、異常が発生した群の出力の変動を打ち消すように、正常な群の高電位側スイッチング素子および低電位側スイッチング素子を制御しているだけなので、通常運転時に要求され得る最大トルク出力の５０％の範囲内でしか、モータのトルク出力を一定に維持することができない。現実の車両にあっては、モータの性能の５０％の駆動では操舵が充分とはいえず、特に路面反力が大きい大型車や低速時においては、非力なドライバーではハンドルを回転させることは困難である。

また、特許文献２では、異常が発生した群であっても、継続運転が可能な相については継続動作することで、正常側との合計では５０％以上の制御は可能ではあるが、３相電流のうちの１相のみを停止すると、故障側では停止した１相による１／３周期の期間だけ電流が供給されなくなるので、電気角１周期内のモータのトルク変動が大きくなってしまう。操舵時のトルク変動はドライバーのフィーリング悪化につながるものであるため、ドライバーが期待するような一定のトルクが維持できなければ快適な操舵が実現できない。

また、特許文献３では、各モータに供給する電流の通常運転時における制限値に余裕がある場合には、異常が発生しても、電流の制限値を引き上げてアシストトルクを向上することが可能であるが、電流の制限値に余裕のあるモータを使用するということは、最適サイズよりも大きいものを搭載するということであるため、レイアウト上不利となってしまう。

本発明は、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、通常運転時のモータ巻線への電流の制限値に余裕がない場合でも、モータの異常を検出したときは、異常が発生していないモータ巻線への電流を通常運転時より増大させて、異常に伴うモータのトルク低下および変動の影響を抑制することができる電動駆動装置およびその制御方法を得ることを目的とする。

本発明に係る電動駆動装置は、ｍを１以上、ｎを２以上の自然数とするｍ群ｎ相の巻線が巻回されたステータ、および単一のロータを有する多相回転機と、巻線の各群各相に独立に電流を供給するインバータ回路と、インバータ回路を駆動する駆動回路を有する制御回路と、を備え、制御回路は、通常運転時において、巻線に供給される電流を、巻線およびインバータ回路を含む熱的結合体の発熱性および放熱性から決定される正常時電流制限値未満となるように制御する電動駆動装置であって、制御回路は、巻線およびインバータ回路の各群または各相の異常を検出する異常検出回路を更に備え、異常検出回路が異常を検出したときには、巻線の異常発生群の全ての相または継続運転が不可能な相への電流供給を停止または低減するとともに、継続運転が可能な巻線に供給する電流の制限値を、電流供給の停止または低減によって熱的結合体の発熱性が改善された範囲内において、正常時電流制限値よりも大きい異常時電流制限値として再設定し、継続運転が可能な巻線の少なくとも１つの群または相に供給する電流が、異常時電流制限値未満となるように制御するものである。

また、本発明に係る電動駆動装置の制御方法は、ｍを１以上、ｎを２以上の自然数とするｍ群ｎ相の巻線が巻回されたステータ、および単一のロータを有する多相回転機と、巻線の各群各相に独立に電流を供給するインバータ回路と、を備えた電動駆動装置の制御方法であって、巻線およびインバータ回路の各群または各相の異常を検出する異常検出ステップと、異常検出ステップにおいて異常が検出されなかった場合に、巻線に供給される電流を、巻線およびインバータ回路を含む熱的結合体の発熱性および放熱性から決定される正常時電流制限値未満となるように制御するステップと、異常検出ステップにおいて異常が検出された場合に、巻線の異常発生群の全ての相または継続運転が不可能な相への電流供給を停止または低減するステップと、継続運転が可能な巻線に供給する電流の制限値を、電流供給の停止または低減によって熱的結合体の発熱性が改善された範囲内において、正常時電流制限値よりも大きい異常時電流制限値として再設定するステップと、継続運転が可能な巻線の少なくとも１つの群または相に供給する電流が、異常時電流制限値未満となるように制御するステップとを有するものである。

本発明では、モータの異常を検出したときは、継続運転が不可能なモータ巻線への電流を停止するとともに、この電流停止によるモータの発熱性の改善を考慮したうえで、継続運転が可能な相のモータ巻線への電流の制限値を引き上げている。この結果、通常運転時のモータ巻線への電流の制限値に余裕がない場合でも、モータの異常を検出したときは、異常が発生していないモータ巻線への電流を通常運転時より増大させて、異常に伴うモータのトルク低下および変動の影響を抑制することができる電動駆動装置およびその制御方法を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る電動駆動装置の回路図である。 本発明の実施の形態１に係る電動駆動装置の全体構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る電動駆動装置におけるモータの構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る電動駆動装置の制御方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１に係る電動駆動装置の第２の回路図である。 本発明の実施の形態２に係る電動駆動装置におけるモータ巻線に供給する電流の制限値およびその時間変化を示す特性図である。

以下、本発明における電動駆動装置およびその制御方法の好適な実施の形態について図面を用いて説明する。なお、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電動駆動装置の回路図である。本実施の形態１の電動駆動装置は、例えば、電動パワーステアリングの操舵トルクをアシストするために用いられる。

本実施の形態１の電動駆動装置は、制御ユニット１およびモータ２を備えて構成される。また、制御ユニット１は、インバータ回路３ａ、３ｂと、ＣＰＵ１０を搭載した制御回路４と、インバータ遮断スイッチ５ａ、５ｂと、イグニッションスイッチ７と、ノイズ抑制用のフィルタ１７とを備えて構成される。

制御回路４には、車両に搭載されたバッテリ６からの電源電圧＋Ｂおよびグランド電圧ＧＮＤが、イグニッションスイッチ７をオンすることにより、制御回路４内の電源回路１３を介して供給される。

また、制御回路４には、ハンドルの近傍に搭載されて操舵トルクを検出するトルクセンサと、車両の走行速度を検出する速度センサとを備えて構成されるセンサ群８から、操舵トルクおよび車両速度等の情報を含む車両情報が、制御回路４内の入力回路１２を介して入力される。

ＣＰＵ１０は、センサ群８からの車両情報を基にして、モータ２を駆動させるための電圧指令値を演算し、駆動回路１１へ出力する。駆動回路１１は、電圧指令値に従って、インバータ回路３ａ、３ｂの各スイッチング素子を駆動する駆動信号を出力する。

インバータ回路３ａ、３ｂは、モータ巻線２４（Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１）のそれぞれに電流を供給するための上下アーム用スイッチング素子３１、３２と、モータ巻線２４への電流供給を遮断するための巻線遮断スイッチ３４と、モータ巻線２４に流れる電流値を検出するためのシャント抵抗３３と、ノイズ抑制用コンデンサ３０とを備えて構成される。

インバータ回路３ａ、３ｂは、各群各相のモータ巻線２４に対して同一の回路構成を有しており、各モータ巻線２４に対して独立に電流が供給できるようになっている。なお、図１には、下アーム素子に電流検出用のシャント抵抗３３を設置した場合の例を示しているが、シャント抵抗３３は、上アーム素子や母線電流に設置してもよい。

モータ２は、２群３相のモータ巻線２４がスター結線されているブラシレスモータである。モータ２は、冗長系を確保するために２群のモータ巻線２４が搭載されている。なお、モータ２は、２群３相に限定されるものではなく、ｍを１以上、ｎを２以上の自然数とするｍ群ｎ相の巻線を有する多相回転機であれば、同様の効果を得ることができる。また、モータ２は、３相スター結線のブラシレスモータでなくてもよく、デルタ結線であっても、ブラシ付きモータであってもよい。

制御回路４には、シャント抵抗３３の両端の電位差、およびモータ巻線２４の両端の電圧差等の情報が、入力回路１２を介して入力される。ＣＰＵ１０はこれらの情報から得られるモータ巻線２４に流れる電流の測定値と、電流の指令値との差異を演算して、いわゆるフィードバック制御を行うことで、モータ２に対して所望の電流を供給して、電動パワーステアリングの操舵トルクをアシストする。

制御回路４からは、インバータ遮断スイッチ５ａ、５ｂのスイッチング素子への駆動信号が出力されている。制御回路４は、インバータ遮断スイッチ５ａ、５ｂをオフすることにより、インバータ回路３ａ、３ｂの各群への電流供給をそれぞれ独立に遮断することができる。なお、インバータ遮断スイッチ５ａ、５ｂは、インバータ回路３ａ、３ｂにそれぞれ包含させてもよい。

また、同様に、制御回路４からは、巻線遮断スイッチ３４のスイッチング素子への駆動信号が出力されている。制御回路４は、巻線遮断スイッチ３４をオフすることにより、モータ巻線２４の各群各相への電流供給をそれぞれ独立に遮断することができる。

更に、制御回路４は、入力回路１２を介して入力したモータ巻線２４およびインバータ回路３ａ、３ｂの情報に基づいて、モータ巻線２４およびインバータ回路３ａ、３ｂの異常を検出する異常検出回路（図示せず）を有している。これにより、ＣＰＵ１０は、異常を検出した場合には、その異常に応じて、例えば、継続運転が不可能な相への電流供給を遮断するために、巻線遮断スイッチ３４をオフする、あるいは、継続運転が不可能な群への電流供給を元から遮断するためにインバータ遮断スイッチ５ａ、５ｂをオフすることが可能である。

ＣＰＵ１０は、モータ２の異常を検出した場合には、報知手段１５に対して、出力回路１６を介して制御情報を出力する。そして、例えば、ランプ等を点灯させることにより運転者等に対してモータ２の異常を通知する。

モータ２には、ロータの回転位置を検出するための回転センサ９ａ、９ｂが搭載されている。回転センサ９ａ、９ｂも、冗長系を確保するために２群のセンサがそれぞれ搭載されている。回転センサ９ａ、９ｂが検出した回転情報は、制御回路４の入力回路１２に伝達される。

以上のように、本実施の形態１の制御ユニット１は、各群各相で入力情報、演算値、検出値をそれぞれ独立に処理して、モータ２を独立に駆動できる構成を有している。なお、図１には、ただ１つのＣＰＵ１０を持つ構成を示しているが、各群にそれぞれＣＰＵ１０および駆動回路１１を有する構成であってもよい。この場合、駆動回路１１はインバータ回路３ａ、３ｂに含ませることもできる。

図２は、本発明の実施の形態１に係る電動駆動装置の全体構成を示す断面図である。本実施の形態１の電動駆動装置は、図２に示すように、モータ２の上側（出力側と反対側）に制御ユニット１が装着された一体構造を有している。

モータ２は、モータ出力軸２３の周囲に永久磁石（図示せず）を装着したロータ２１を有している。また、ロータ２１の周囲には、モータ巻線２４を巻装したステータ２２がモータヨーク２６に内蔵されている。モータ２による回転トルクは、モータ出力軸２３を介して減速機２８に伝達される。

モータ２の上側には、左右のモータ巻線２４からそれぞれ３本ずつ引き出された計６本（図２には２本のみを示している）の延長巻線２５ａ、２５ｂが、上フレーム５０を貫通して上方向に伸びている。

上フレーム５０より上部が制御ユニット１であり、制御ユニット１の制御基板４ａは、モータ２の上側の、モータ出力軸２３の延長上に配置されている。上フレーム５０は、モータ２のモータヨーク２６に、例えば圧入により固着されている。

制御ユニット１は、例えば絶縁樹脂製のハウジング５１内に内蔵されている。また、ハウジング５１内には、制御基板４ａの他にも、インバータ回路３ａ、３ｂが内蔵されたＰＭ（パワーモジュール）が、上フレーム５０に密着して配置されている。また、ＰＭの脚部の一部は、図中上方に伸びて延長巻線２５ａ、２５ｂと接続されている。また、制御基板４ａの脚部群の一部も上方へ延出されている。

インバータ回路３ａ、３ｂの上側には、中間部材５２、制御基板４ａが積層されて配置されている。制御基板４ａには、図１の制御回路４、ＣＰＵ１０、駆動回路１１を含む多数の電子部品が搭載されるが、図２には、ＣＰＵ１０、駆動回路１１のみを示している。ＣＰＵ１０は、制御基板４ａの上面に搭載されている。駆動回路１１は制御基板４ａの下面に装着されている。また、インバータ回路３ａ、３ｂは、制御基板４ａに対向して、互いに並設して配置されている。

インバータ回路３ａ、３ｂが内蔵されたＰＭは、上フレーム５０に密着している。上フレーム５０は、伝熱性のよい例えばアルミニウムで製造されており、軸受２７の支持の役割を担うとともに、ヒートシンクの役割を担っている。なお、ＰＭ自体にヒートシンクを内蔵した構造としてもよいが、内蔵のヒートシンクのみでは放熱性が十分でない場合が多いため、広い面積・容積を有する上フレーム５０を用いて放熱性を向上させてもよい。

また、モータヨーク２６は、モータ巻線２４および上フレーム５０に密着している。これにより、モータ巻線２４およびインバータ回路３ａ、３ｂは、上フレーム５０およびモータヨーク２６を介して互いに熱的に結合しており、この熱的結合体が、図２に示すように外周部をモータ２外に露出した上フレーム５０およびモータヨーク２６をヒートシンクとして放熱することにより放熱性を向上させている。

なお、図２では、上フレーム５０は、単一のヒートシンクとして配置されているが、必ずしも構造的に結合されている必要はなく、熱的に結合さえしていればよい。例えば、インバータ回路３ａを内蔵する第１のＰＭが密着する第１の上フレームと、インバータ回路３ｂを内蔵する第２のＰＭが密着する第２の上フレームとを別構造として配置し、これらをモータヨーク２６と密着させることにより、熱的に結合させてもよい。

中間部材５２は、インバータ回路３ａ、３ｂが内蔵されているＰＭを、上フレーム５０に密着させるために、ＰＭを上側から上フレーム５０に押し付けている。また、中間部材５２には、ＰＭの多数の脚部、およびモータ２の延長巻線２５ａ、２５ｂの位置決め用の穴を有している。また、中間部材５２は、制御基板４ａを所定の間隔だけ隔てて固定するための柱部５２ａを有している。

また、中間部材５２には電源（＋Ｂ、ＧＮＤ）ラインが配置されており、インバータ回路３ａ、３ｂに接続されている。インバータ回路３ａ、３ｂからの接続線および延長巻線２５ａ、２５ｂは、制御基板４ａの上面まで延出され、制御基板４ａに溶接されて電気的に接続されている。

また、モータ出力軸２３の上側（出力側とは反対側）には、回転センサ９ａ、９ｂが検出する磁場を形成するための磁石ロータ９ｃが装着され、これに対向して回転センサ９ａ、９ｂ用の回路が、制御基板４ａの下面に並んで装着されている。このため、中間部材５２および上フレーム５０の中央には、モータ出力軸２３が貫通する穴があいている。

また、上フレーム５０の下面とモータ巻線２４との間の空間には、ノイズを抑制するためのコンデンサ３０が装着されている。コンデンサ３０の配線は、中間部材５２を介してインバータ回路３ａ、３ｂの電源端子に接続されている。このように、制御ユニット１の大部分は、上フレーム５０よりも上側に配置されるが、一部は上フレーム５０よりも下側のモータ２側にも配置されて、空間の有効利用が図られている。

ハウジング５１の上面には複数のコネクタ類５３、５５と、図１に示すフィルタ１７を内蔵したカバー５４とが配置されている。コネクタ類５３、５５には、図１に示す電源６（＋Ｂ、ＧＮＤ）を接続するための電源用コネクタ５３と、図１に示すセンサ群８およびイグニッションスイッチ７の信号用コネクタ５５とが含まれる。

コネクタ類５３、５５からは、延長ピン、バスバーがハウジング５１内に延長され、制御ユニット１内へ伸びて制御基板４ａやインバータ回路３ａ、３ｂと接続されている。延長ピン、バスバーは、ハウジング５１の周囲を伝って伸び、制御基板４ａの周辺まで延びている。

制御基板４ａには多数の電子部品が搭載されているため、接続用の延長ピン、バスバーはできるかぎり基板の周辺部に配置され、配線パターンで基板中央へ引き込むように工夫されており、制御基板４ａの面積が有効に利用されている。

図３は、本発明の実施の形態１に係る電動駆動装置におけるモータ２の構成を示す断面図である。図３は、モータ２をモータ出力軸２３の出力側から見たものである。なお、以下の説明では、モータ巻線が２群３相であることを想定するが、前述のように、モータ巻線は、ｍを１以上、ｎを２以上の自然数とするｍ群ｎ相であればよい。

図３（ａ）は、モータ巻線を分布巻きとする場合のモータ２の構成を示している。ステータ２２は、薄板鋼板を積層して構成され、４８個のスロット２２ａが円周状に配置されている。ステータ２２の内側には、ロータ２１が配置され、ロータ２１の周囲には８極の永久磁石２１ａがＮ極、Ｓ極の順序で所定の位置に配置されている。ロータ２１の回転軸上にはモータ出力軸２３が延出されており、モータ出力軸２３の先にはハンドル操舵をアシストするようにギアが配設されている。

スロット２２ａには、モータ巻線が巻回され、例えば４本のコイルが配置される。その巻回状態を、図３（ａ）の左半分に一部を示した。

図３（ａ）では、同じＵ，Ｖ，Ｗ相を有する第１群と第２群のペアが隣り合って配置され、これらの同じ相を有するペアが、Ｕ，Ｖ，Ｗの順に規則正しく挿入・巻回されている。このように、図３（ａ）では、モータ巻線は、分布巻きに巻回されている。そして、その終端がそれぞれスター結線となるように接続されている。また、モータ巻線から延長された延長巻線は、図１に示すインバータ回路３ａ、３ｂの巻線遮断スイッチ３４に接続されている。また、モータ巻線の終端は各群に３本ずつ存在し、それぞれが独立にインバータ回路３ａ、３ｂに接続されている。

なお、図３（ａ）では、単一ロータに対してモータ巻線を２群としたが、ステータ自体を２群直列に構成するいわゆるタンデムタイプのモータも実現可能である。但し、タンデムタイプでは、１群のモータと比較してモータ長さが略２倍の規模となってしまうので、車両に搭載する場合には非常に不利となってしまう。

一方、図３（ｂ）は、モータ巻線を集中巻きとする場合のモータ２の構成を示している。ステータ２２には、１２個のスロット２２ａが円周状に配置されている。ステータ２２の内側には、ロータ２１が配置され、ロータ２１の周囲には１０極の永久磁石２１ａが、Ｎ極、Ｓ極の順序で所定の位置に配置されている。ロータ２１の回転軸上にはモータ出力軸２３が延出されており、モータ出力軸２３の先にはハンドル操舵をアシストするようにギアが配設されている。

図３（ｂ）では、Ｕ，Ｖ，Ｗの順にスロット２２ａに配置された第１群と、Ｕ，Ｖ，Ｗの順に配置された第２群とが、それぞれ離れた位置に群毎にまとめて配置されて集中巻きに巻回されている。

図３（ａ）、（ｂ）に示す２種類の巻線構造が、モータ巻線の構造として代表的である。制御ユニットは、各巻線仕様を考慮した設計が要求される。

図４は、本発明の実施の形態１に係る電動駆動装置の制御方法を示すフローチャートである。図４に示すフローチャートは、制御回路４の図示しない記憶部にソフトウェアとして記憶されており、制御回路４のＣＰＵ１０によってプログラムとして実行される。以下、図４を用いて、制御回路４のＣＰＵ１０が行う処理について説明する。

図１に示すイグニッションスイッチ７がオンされると、制御回路４に電源が供給されて、ＣＰＵ１０が処理を開始する。ＣＰＵ１０は、ステップＳ１において、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ポート等を初期化する。そして、ステップＳ２において、センサ群８から入力回路１２を介して、操舵トルクおよび車両速度等の情報を含む車両情報を取得する。

ステップＳ３において、ＣＰＵ１０は、モータ巻線２４およびインバータ回路３ａ、３ｂの各群または各相の異常の有無をチェックして、その検出結果を保持する。なお、制御回路４の駆動回路１１、回転センサ９ａ、９ｂを、更に異常の検出対象に含めてもよい。

具体的な異常検出方法としては、例えば、インバータ回路３ａ、３ｂの各スイッチング素子を流れる電流をシャント抵抗３３で監視することによって異常を検出できる。あるいは、モータ巻線２４の両端子間の電圧に、特定の電圧値または波形がスイッチング素子の駆動に応じて出現するか否かを監視することによっても異常を検出できる。また、検出した電流値または電圧値が、一定の時間経過後も目標値に接近しない場合には、漏電等の異常の可能性があると判断できる。

ステップＳ４において、ＣＰＵ１０は、例えば図１に示す２群３相の構成の、２群の全てに異常が発生しているか否かをチェックする。全ての群に異常が発生している場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ９へ進む。一方、２群の少なくとも１つの群が正常である場合（ＮＯ）は、ステップＳ５へ進む。

ステップＳ４において、全ての群に異常が発生している場合は、ステップＳ９において、最悪の場合には、図１に示す駆動回路１１への出力を停止して、電動パワーステアリングの操舵トルクのアシストを停止し、マニュアル操舵に戻す。例えば、モータ巻線２４またはインバータ回路３ａ、３ｂのスイッチング素子の地絡、天絡の場合には、ＣＰＵ１０は、インバータ遮断スイッチ５ａ、５ｂを含めた全スイッチング素子をオフする。

一方で、異常の発生状況によっては、運転を継続することも可能である。例えば、インバータ回路３ａ、３ｂの上下アーム用スイッチング素子３１、３２のうちの１個、あるいは巻線遮断スイッチ３４のスイッチング素子のうちの１個がオープン故障しただけであれば、故障していない継続運転が可能な相によって、電動パワーステアリングの操舵トルクのアシストを継続することが可能である。

特に、図５に示すような１群のみを有する構成の場合においては、ただ一つの群に異常が発生しても、継続運転が不可能な相のみを停止し、その他の継続運転が可能な相の駆動を継続することで、電動パワーステアリングの操舵トルクのアシスト機能を停止することなく維持することができる。

このように、ステップ９は、全群異常時の全面停止機能以外にも、部分駆動が可能な場合の継続運転機能を備えているが、このような部分駆動処理は、モータ巻線２４の各群各相へ流す電流の制御量の演算処理も必要なため、後述のステップＳ６で処理した方が効率的な場合もある。

なお、３相電流のうちの１相のみを停止すると、停止した１相による１／３周期の期間だけ電流が供給されなくなるので、電気角１周期内のモータ２のトルク変動が大きくなってしまう。したがって、２群以上を有する構成において、後述のような少なくとも１つの正常な群が存在する場合は、部分駆動処理は行わず、故障が発生した群の全ての相の駆動を停止してもよい。

一方、ステップＳ４において、少なくとも１つの群が正常である場合は、ＣＰＵ１０は、ステップＳ５において、２群の全てが正常であるか否かをチェックする。全ての群が正常である場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ７へ進む。一方、少なくとも１つの群に異常が発生している場合は（ＮＯ）は、ステップＳ６へ進む。

ステップＳ５において、全ての群が正常である場合は、ＣＰＵ１０は、ステップＳ７において、モータ２が電動パワーステアリングを駆動するために必要な総電流値を、車両速度およびモータ２のトルクに応じて算出するとともに、各群に均等に（２群の場合は５０％ずつ）割り当てて、これをモータ巻線２４の各群に供給する電流の制御量とする。なお、各群に均等に割り当てる代わりに、例えば、各群を構成する部品の温度に応じて、温度が低い群に多くの電流を割り当てるようにしてもよい。

次に、ＣＰＵ１０は、シャント抵抗３３の電位差から現在のモータ巻線２４の電流値を検出し、電流の制御量（目標値）と検出値との差異に応じて制御指令値を算出する。その後、ＣＰＵ１０は、ステップＳ８に進む。

一方、ステップＳ５において、少なくとも１つの群に異常が発生している場合は、ＣＰＵ１０は、ステップＳ６において、継続運転が不可能なモータ巻線２４への電流供給を停止するとともに、継続運転が可能なモータ巻線２４に供給する電流を増加させる。

まず、異常が発生している群の、全ての相の継続運転が不可能な場合について説明する。一般的な電動駆動装置の設計において、モータ巻線２４の各群各相に供給できる電流の制限値は、モータ巻線２４の仕様、インバータ回路３ａ、３ｂに使用されるスイッチング素子の定格、上フレーム５０やモータヨーク２６のヒートシンクとしての放熱性、および、その他部品が発生する抵抗熱等により決定される。

実際には、このようなモータ巻線２４に供給できる電流の制限値は、上記の条件のうち最も条件が厳しいものによって決定される。中でも特に重要なのは、互いに熱的に結合されたモータ巻線２４およびインバータ回路３ａ、３ｂを含んで構成される熱的結合体の発熱性および放熱性である。

例えば、モータ巻線２４に供給できる電流に仕様的な余裕があったとしても、モータ巻線２４と熱的に結合されたモータヨーク２６のヒートシンクとしての放熱性が十分でない場合には、熱的結合体に次第に熱が蓄積されるのでモータ巻線２４が溶断する可能性がある。したがって、モータ巻線２４に供給できる電流の制限値は、互いに熱的に結合されたモータ巻線２４およびインバータ回路３ａ、３ｂを含んで構成される熱的結合体の発熱性および放熱性によって決定される。

ここで、異常発生時に、異常発生群への電流の供給を停止するということは、熱的結合体の発熱性が改善するので、モータ巻線２４に供給する電流の制限値に余裕が生じるということである。したがって、もし、モータ巻線２４の仕様や、インバータ回路３ａ、３ｂに使用されるスイッチング素子の定格等に余裕があり、熱的結合体の発熱性および放熱性がボトルネックとなっている状況であれば、電流供給の停止によって余裕が生じた分だけ、モータ巻線２４に供給する電流の制限値を引き上げることが可能である。

そこで、本実施の形態１では、モータ２の異常を検出したときには、異常が発生している群への電流供給を停止するとともに、この電流停止による熱的結合体の発熱性の改善を考慮したうえで、異常が発生していない群へ供給できる電流の制限値を異常時電流制限値として再設定するようにしている。

例えば、通常運転時において、モータ２を駆動するための総電流を、２群の各群で５０％ずつ分担していた場合には、ＣＰＵ１０は、異常を検出したときは、異常が発生している群への供給電流を、総電流の０％とするとともに、異常が発生していない群への供給電流の制限値を、例えば、熱的結合体の発熱性に余裕が生じた１０％分だけ通常運転時よりも引き上げて総電流の６０％とする。

あるいは、異常が発生している群の、一部の相の継続運転が可能である場合は、ＣＰＵ１０は、異常が発生している群の、継続運転が不可能な相への電流供給を停止するとともに、異常が発生している群の、継続運転が可能な相に供給する電流の制限値を、熱的結合体の発熱性の改善を考慮したうえで、異常時電流制限値として再設定する。

例えば、図５に示すような１群のみを有する構成の場合においては、通常運転時において、１２０ｄｅｇずつ位相のずれた電流が３相の巻線に流れる。一定速度で同一トルクを出力している状況下においては、３相巻線のそれぞれが発熱する比率は、ほぼ同等と考えられる。

ＣＰＵ１０が、異常を検出したときに、異常が発生している相への電流供給を停止すると、１回転のうち１／３の領域では発熱が小さくなる。この熱的結合体の発熱性に余裕が生じた分だけ供給電流の制限を引き上げて、それぞれ総電流の５０％の３／２倍の７５％とする。ここでは、単純に電流量のみで引き上げ幅を決定したが、実際にはモータ巻線２４に供給できる電流の制限値を決定する他の因子の影響も考慮して決定することはいうまでも無い。

さらに、ある角度に固定した状態で一定トルクを出力している状況下では、３相巻線のうちいずれかの相に集中して電流が流れ、３相巻線のそれぞれが発熱する比率は偏るため、モータ２の回転速度または車速及びトルクに応じて、要求される電流値を考慮して、異常時電流制限値を引き上げる必要があることはいうまでも無い。

また、図１に示すような２群を有する構成の場合においては、通常運転時においては６相の巻線に電流が流れる。一定速度で同一トルクを出力している状況下においては、３相巻線のそれぞれが発熱する比率はほぼ同等と考えられる。ＣＰＵ１０が、異常を検出したときに、異常が発生している相への電流供給を停止すると、１回転のうち１／３の領域では発熱が小さくなる。

この熱的結合体の発熱性に余裕が生じた分だけ供給電流の制限を引き上げて、それぞれ、総電流の５０％の６／５倍の６０％とする。ここでは、単純に電流量のみで引き上げ幅を決定したが、実際にはモータ巻線２４に供給できる電流の制限値を決定する他の因子の影響も考慮して決定することはいうまでも無い。

さらに、ある角度に固定した状態で一定トルクを出力している状況下では、３相巻線のうちいずれかの相に集中して電流が流れ、３相巻線のそれぞれが発熱する比率は偏るため、モータ２の回転速度または車速及びトルクに応じて要求される電流値を考慮して異常時電流制限値を引き上げる必要があることはいうまでも無い。

なお、図１では、２群３相の構成とし、図５では１群３相の構成としたが、前述のように、ｍを１以上、ｎを２以上の自然数とするｍ群ｎ相の構成であれば、同様の効果を得ることが可能である。

また、上述の、継続可能な群への電流の引き上げ処理と、継続可能な相への電流引き上げ処理とは、組合せて用いることが可能である。両方の処理を同時に適用してもよいし、一方だけでモータ２を駆動できる状況であれば、一方の処理のみを適用してもよい。このように、継続運転が可能なモータ巻線２４の少なくとも１つの群または相に供給する電流を、異常時電流制限値未満に制御することで、異常に伴うモータ２のトルク低下および変動の影響を抑制することができる。

ステップＳ８において、ＣＰＵ１０は、ステップＳ６、Ｓ７で演算した制御量から、インバータ回路３ａ、３ｂの各スイッチング素子を駆動するための制御信号を算出する。具体的には、ＣＰＵ１０は、上下アーム用スイッチング素子３１、３２をＰＷＭ駆動する際のＰＷＭデューティ値として制御信号を出力する。

ＰＷＭの周期は、図４に示すフローチャートと比較して非常に短いため、実際の出力処理は、例えば割り込み処理等の別の時間管理プログラム実行される。その後、ＣＰＵ１０は、ステップＳ１０に進む。

ステップＳ１０において、例えば、本フローチャートを５ｍｓ毎に繰り返す場合には、ＣＰＵ１０は、本周期を開始してから５ｍｓ経過するまで待機する。一定時間経過後（ＹＥＳ）、ＣＰＵ１０は、ステップＳ２へ戻って、上述の処理を繰り返す。

このように、モータまたはインバータ回路の異常を検出した場合は、継続運転が可能な各群各相に供給される電流を、通常運転時よりも増加させることができるので、操舵アシストを維持することがでる。

なお、モータの異常を検出したときに再設定される異常時電流制限値は、群および相の故障パターンに応じて予め計算した値を、テーブルとして記憶部に保存しておいてもよい。

以上のように、実施の形態１によれば、モータの異常を検出したときは、継続運転が不可能なモータ巻線への電流を停止するとともに、この電流停止によるモータの発熱性の改善を考慮したうえで、継続運転が可能な相のモータ巻線への電流の制限値を引き上げている。この結果、通常運転時のモータ巻線への電流の制限値に余裕がない場合でも、モータの異常を検出したときは、異常が発生していないモータ巻線への電流を通常運転時より増大させて、異常に伴うモータのトルク低下および変動の影響を抑制することができる電動駆動装置およびその制御方法を得ることができる。

なお、ＣＰＵ１０は、例えば、群数と同数のＣＰＵ１０を有し、各ＣＰＵ１０がそれぞれの群を独立に制御するような冗長系を構成することも可能である。この場合、複数のＣＰＵ間を通信線で接続して、お互いに各群における異常発生の状況、および分担率等の情報を共有することにより、駆動回路１１についても冗長性を確保することができる。複数のＣＰＵは、同一パッケージ内に内蔵されたものであってもよい。

また、ＣＰＵは１つでも、ソフトウェアの構成を独立にし、その制御指令他の結果値も別々に格納することで、冗長系を実現することも可能である。この場合は、更に、駆動回路１１のための出力ポートを異なるポートに割り当てることにより、一方のポートが異常になった場合であっても、他方のポートで出力を継続することができる。これにより、制御回路４のＣＰＵが１つで済むので、群数と同数のＣＰＵ１０を有する場合と比較してその規模を縮小することができる。また、通信ラインを省くことによりノイズ他により通信エラーに対しても強化できる効果がある。

また、以上の説明では、モータ巻線２４およびインバータ回路３ａ、３ｂの異常を検出したときには、モータ巻線２４の継続運転が不可能な群または相への電流供給を停止するとしたが、電流供給を完全に停止する代わりに、供給電流を低減するようにしてもよい。供給電流を低減する場合に改善される熱的結合体の発熱性の余裕度は、電流供給を完全に停止する場合と比較して減少するものの、同様の効果を得ることが可能である。

実施の形態２．
本実施の形態２では、モータ巻線およびインバータ回路の異常を検出したときに、継続運転が可能なモータ巻線への電流の制限値を再設定する方法についてより詳しく説明する。本実施の形態２の電動駆動装置の構成は、先の実施の形態１と同じである。

図６は、本発明の実施の形態２に係る電動駆動装置におけるモータ巻線に供給する電流の制限値およびその時間変化を示す特性図である。

図６において、１点鎖線で示す電流制限値６０は、異常が発生していない通常運転時における電流の制限値を示している。通常運転時には、モータ巻線の各群各相に供給する電流を、モータ巻線およびインバータ回路を含む熱的結合体の発熱性および放熱性から決定される正常時電流制限値Ａ１まで流すことができる。

また、図６に示す電流制限値６０では、モータの連続運転に伴う経時的な熱的結合体の発熱性および放熱性の悪化についても考慮されており、電流制限値６０は、モータの運転時間の経過とともに予め定めた減少率で減少するように設定されている。

一方、電流制限値６１は、異常が発生している場合の電流の制限値の第１の例を示している。電流制限値６１では、継続運転が不可能なモータ巻線への電流供給を停止したことによる熱的結合体の発熱性の改善が考慮されており、異常が発生した際のモータ巻線への供給電流を、正常時電流制限値Ａ１より大きい異常時電流制限値Ａ３まで引き上げることができる。

しかしながら、電流制限値６１では、電流の制限値が引き上げられていることから、モータの連続運転に伴う経時的な熱的結合体の発熱性がより悪化してしまう。このため、電流制限値６１は、モータの運転時間の経過に対する減少率がより大きく（急激に）なるように設定されている。

また、電流制限値６２は、電流の制限値と減少率のバランスを考えた、異常が発生している場合の電流の制限値の第２の例を示している。電流制限値６２では、電流の制限値の引き上げを、正常時電流制限値Ａ１と異常時電流制限値Ａ３の中間の異常時電流制限値Ａ３に留めることにより、電流制限値６２のモータの運転時間の経過に対する減少率についても、電流制限値６０と電流制限値６１の中間の値とすることができる。

更に、異常が発生している場合の電流の制限値の第３の例として、電流制限値はＡ１のままで、減少率のみを大きくすることも可能である。

このように、電流の制限値と減少率の値の組合せを、異常発生時のモータのトルク値に応じて選択することで、異常に伴うモータのトルク低下および変動の影響をより柔軟に抑制することができる。例えば、高トルク領域において異常が発生した場合には、高いトルクを出力できる電流制限値６１を選択することにより、高トルクを維持することが可能である。一方、中間トルク領域において異常が発生した場合には、電流制限値６２を選択することにより、高いトルクを長期に渡って維持することが可能である。

以上のように、実施の形態２によれば、モータ巻線への供給電流の制限値を、モータの運転時間の経過とともに予め定めた減少率で減少するように設定するとともに、異常を検出したときには、モータのトルク値に応じて、電流の制限値とその減少率とを、熱的結合体の発熱性が改善された範囲内において再設定することにより、異常に伴うモータのトルク低下および変動の影響を抑制することができる電動駆動装置およびその制御方法を得ることができる。

Claims (10)

1. ｍを１以上、ｎを２以上の自然数とするｍ群ｎ相の巻線が巻回されたステータ、および単一のロータを有する多相回転機と、
   前記巻線の各群各相に独立に電流を供給するインバータ回路と、
   前記インバータ回路を駆動する駆動回路を有する制御回路と、
   を備え、前記制御回路は、通常運転時において、前記巻線に供給される電流を、前記巻線および前記インバータ回路を含む熱的結合体の発熱性および放熱性から決定される正常時電流制限値未満となるように制御する電動駆動装置であって、
   前記制御回路は、前記巻線および前記インバータ回路の各群または各相の異常を検出する異常検出回路を更に備え、前記異常検出回路が異常を検出したときには、
   前記巻線の異常発生群の全ての相または継続運転が不可能な相への電流供給を停止または低減するとともに、
   継続運転が可能な巻線に供給する電流の制限値を、前記電流供給の停止または低減によって前記熱的結合体の発熱性が改善された範囲内において、前記正常時電流制限値よりも大きい異常時電流制限値として再設定し、
   継続運転が可能な巻線の少なくとも１つの群または相に供給する電流が、前記異常時電流制限値未満となるように制御する
   電動駆動装置。
2. 前記制御回路は、前記異常検出回路が異常を検出したときには、
   前記巻線の継続運転が不可能な相への電流供給を停止または低減するとともに、
   継続運転が可能な相の巻線に供給する電流の制限値を、前記電流供給の停止または低減によって前記熱的結合体の発熱性が改善された範囲内において、前記正常時電流制限値よりも大きい異常時電流制限値として再設定し、
   継続運転が可能な相の巻線に供給する電流が、前記異常時電流制限値未満となるように制御する
   請求項１に記載の電動駆動装置。
3. 前記正常時電流制限値または前記異常時電流制限値は、前記多相回転機の運転時間の経過とともに予め定めた減少率で減少するように設定され、
   前記制御回路は、前記異常検出回路が異常を検出したときには、前記異常時電流制限値およびその減少率を、前記熱的結合体の発熱性が改善された範囲内において再設定する
   請求項１または２に記載の電動駆動装置。
4. ヒートシンクを更に備え、
   前記熱的結合体の前記巻線および前記インバータ回路は、前記ヒートシンクを介して熱的に結合している
   請求項１から３のいずれか１項に記載の電動駆動装置。
5. 前記巻線の各群各相への電流供給を遮断する巻線遮断スイッチを更に備え、
   前記制御回路は、前記異常検出回路が異常を検出したときには、前記巻線遮断スイッチをオフすることによって、前記巻線の継続運転が不可能な相への電流供給を停止する
   請求項１から４のいずれか１項に記載の電動駆動装置。
6. 前記インバータ回路の各群への電流供給を遮断するインバータ遮断スイッチを更に備え、
   前記制御回路は、前記異常検出回路が異常を検出したときには、前記インバータ遮断スイッチをオフすることによって、前記巻線の異常発生群への電流供給を停止する
   請求項１から５のいずれか１項に記載の電動駆動装置。
7. 前記巻線は、分布巻きされている
   請求項１から６のいずれか１項に記載の電動駆動装置。
8. 前記巻線は、群毎にまとめて配置され、集中巻きされている
   請求項１から６のいずれか１項に記載の電動駆動装置。
9. 電動パワーステアリングの操舵トルクをアシストするために用いられる
   請求項１から８のいずれか１項に記載の電動駆動装置。
10. ｍを１以上、ｎを２以上の自然数とするｍ群ｎ相の巻線が巻回されたステータ、および単一のロータを有する多相回転機と、
    前記巻線の各群各相に独立に電流を供給するインバータ回路と、
    を備えた電動駆動装置の制御方法であって、
    前記巻線および前記インバータ回路の各群または各相の異常を検出する異常検出ステップと、
    前記異常検出ステップにおいて異常が検出されなかった場合に、
    前記巻線に供給される電流を、前記巻線および前記インバータ回路を含む熱的結合体の発熱性および放熱性から決定される正常時電流制限値未満となるように制御するステップと、
    前記異常検出ステップにおいて異常が検出された場合に、
    前記巻線の異常発生群の全ての相または継続運転が不可能な相への電流供給を停止または低減するステップと、
    継続運転が可能な巻線に供給する電流の制限値を、前記電流供給の停止または低減によって前記熱的結合体の発熱性が改善された範囲内において、前記正常時電流制限値よりも大きい異常時電流制限値として再設定するステップと、
    継続運転が可能な巻線の少なくとも１つの群または相に供給する電流が、前記異常時電流制限値未満となるように制御するステップと、
    を有する電動駆動装置の制御方法。

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