JPWO2019151308A1 - 電力変換装置、駆動装置およびパワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

電力変換装置は、巻線の一端に接続される第１インバータと、他端に接続される第２インバータと、上記第１インバータにおける電源側に位置する電源端と、上記第１インバータにおけるグランド側に位置するグランド端とに接続され、かつ、それら電源端とグランド端との接続・非接続を切替える第１中性点リレー回路と、上記第２インバータにおける電源側に位置する電源端と、上記第２インバータにおけるグランド側に位置するグランド端とに接続され、かつ、それら電源端とグランド端との接続・非接続を切替える第２中性点リレー回路と、上記第１インバータおよび上記第２中性点リレー回路を制御する第１制御回路と、上記第２インバータおよび上記第１中性点リレー回路を制御する第２制御回路と、を備える。

Description

本発明は、電力変換装置、駆動装置およびパワーステアリング装置に関する。

従来、２つのインバータによりモータの電力を変換するインバータ駆動システムが知られている。また、モータの各巻線の両端それぞれにインバータが接続され各巻線について独立に電力を供給するタイプのインバータ駆動システムも知られている。

例えば特許文献１には２つのインバータ部を有する電力変換装置が開示されている。特許文献１では、故障検出手段によりスイッチング素子の故障が検出される。そして、スイッチング素子に故障が生じた場合、回転電機(モータ)の駆動継続のため、スイッチング素子のオンオフ作動制御が正常時制御から故障時制御に切り替えられて回転電機が駆動される。

特開２０１４−１９２９５０号公報

近年、電力変換装置、駆動装置およびパワーステアリング装置における電力供給について、電源および制御回路を含んだ駆動系の全部あるいは一部の冗長化による電力供給の継続性の向上が求められている。特に、モータの各巻線について独立に電力を供給する上述したシステムでは、電力供給の継続のために、２つのインバータの一方における異常時に当該一方側を中性点として機能させる仕組みが望まれる場合がある。

しかし、駆動系の異常時でもインバータを中性点として機能させることが可能な具体的な構成について従来は開示がない。なお、本明細書で「駆動系の異常」は、電源のみの異常、制御回路のみの異常、電源と制御回路との両方における異常、電源異常に伴い制御部も動作停止した状態などといった各種の異常状態を含む。

本発明は、駆動系の異常で２つのインバータの一方が動作不能となった場合でも、当該一方側を中性点として機能させることが可能な電力変換装置、駆動装置およびパワーステアリング装置を提供することを目的とする。

本発明に係る電力変換装置の一態様は、電源からの電力を、ｎ相（ｎは３以上の整数）の巻線を有するモータに供給する電力に変換する電力変換装置であって、上記巻線の一端に接続される第１インバータと、上記一端に対する他端に接続される第２インバータと、上記第１インバータにおける電源側に位置する電源端と、上記第１インバータにおけるグランド側に位置するグランド端とに接続され、かつ、それら電源端とグランド端との接続・非接続を切替える第１中性点リレー回路と、上記第２インバータにおける電源側に位置する電源端と、上記第２インバータにおけるグランド側に位置するグランド端とに接続され、かつ、それら電源端とグランド端との接続・非接続を切替える第２中性点リレー回路と、上記第１インバータおよび上記第２中性点リレー回路を制御する第１制御回路と、上記第２インバータおよび上記第１中性点リレー回路を制御する第２制御回路と、を備える。

また、本発明に係る駆動装置の一態様は、上記電力変換装置と、上記電力変換装置に接続され、上記電力変換装置によって変換された電力が供給されるモータと、を備える。

また、本発明に係るパワーステアリング装置の一態様は、上記電力変換装置と、上記電力変換装置によって変換された電力が供給されるモータと、上記モータにより駆動されるパワーステアリング機構と、を備える。

本発明によれば、駆動系の異常で２つのインバータの一方が動作不能となった場合でも、当該一方側を中性点として機能させることが可能である。

図１は、本実施形態によるモータ駆動ユニットのブロック構成を模式的に示す図である。 図２は、本実施形態によるモータ駆動ユニットの回路構成を模式的に示す図である。 図３は、正常時におけるモータの各相の各コイルに流れる電流値を示す図である。 図４は、モータ駆動ユニットのハードウェア構成を模式的に示す図である。 図５は、第１実装基板および第２実装基板のハードウェア構成を模式的に示す図である。 図６は、本実施形態の変形例による回路構成を模式的に示す図である。 図７は、本実施形態の別の変形例による回路構成を模式的に示す図である。 図８は、本実施形態の更に別の変形例による回路構成を模式的に示す図である。 図９は、回路の実装構造が異なる変形例によるハードウェア構成を模式的に示す図である。 図１０は、図９に示す変形例による実装基板のハードウェア構成を模式的に示す図である。 図１１は、基板構成が異なる変形例による実装基板のハードウェア構成を模式的に示す図である。 図１２は、基板構成が異なる別の変形例による実装基板のハードウェア構成を模式的に示す図である。 図１３は、本実施形態によるパワーステアリング装置の構成を模式的に示す図である。 図１４は、本実施形態の第二変形例による回路構成を模式的に示す図である。

以下、添付の図面を参照しながら、本開示の電力変換装置、駆動装置およびパワーステアリング装置の実施形態を詳細に説明する。但し、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするため、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。

本明細書において、電源からの電力を、三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の巻線（「コイル」と表記する場合がある。）を有する三相モータに供給する電力に変換する電力変換装置を例にして、本開示の実施形態を説明する。ただし、電源からの電力を、四相または五相などのｎ相（ｎは４以上の整数）の巻線を有するｎ相モータに供給する電力に変換する電力変換装置も本開示の範疇である。



（モータ駆動ユニット１０００の構造）



図１は、本実施形態によるモータ駆動ユニット１０００のブロック構成を模式的に示す図である。 モータ駆動ユニット１０００は、電力供給装置１０１、１０２、モータ２００および制御回路３０１、３０２を備える。

本明細書では、構成要素としてモータ２００を備えるモータ駆動ユニット１０００を説明する。モータ２００を備えるモータ駆動ユニット１０００は、本発明の駆動装置の一例に相当する。ただし、モータ駆動ユニット１０００は、構成要素としてモータ２００を備えない、モータ２００を駆動するための装置であってもよい。モータ２００を備えないモータ駆動ユニット１０００は、本発明の電力変換装置の一例に相当する。

第１の電力供給装置１０１は、第１インバータ１１１、第２中性点スイッチ１３１、電流センサ４０１および電圧センサ４１１を備えている。第２の電力供給装置１０２は、第２インバータ１１２、第１中性点スイッチ１３２、電流センサ４０２および電圧センサ４１２を備えている。

モータ駆動ユニット１０００は、２つの電力供給装置１０１、１０２によって、電源（図２の符号４０３、４０４）からの電力をモータ２００に供給する電力に変換することが可能である。例えば、第１および第２インバータ１１１、１１２は、直流電力を、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の擬似正弦波である三相交流電力に変換することが可能である。

第１インバータ１１１は、モータ２００のコイルの一端２１０に接続され、第２インバータ１１２は、モータ２００のコイルの他端２２０に接続される。本明細書において、部品（構成要素）同士の「接続」とは、特に断らない限り電気的な接続を意味する。

モータ２００は、例えば三相交流モータである。モータ２００は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のコイルを有する。コイルの巻き方は、例えば集中巻きまたは分布巻きである。

制御回路３０１、３０２は、後で詳述するようにマイクロコントローラ３４１、３４２などを備える。第１の制御回路３０１は、電流センサ４０１および角度センサ３２１からの入力信号に基づいて第１の電力供給装置１０１を制御する。また、第２の制御回路３０２は、電流センサ４０２および角度センサ３２２からの入力信号に基づいて第２の電力供給装置１０２を制御する。制御回路３０１、３０２における電力供給装置１０１、１０２の制御手法として、例えばベクトル制御および直接トルク制御（ＤＴＣ）から選択された制御手法が用いられる。 図２を参照して、モータ駆動ユニット１０００の具体的な回路構成を説明する。

図２は、本実施形態によるモータ駆動ユニット１０００の回路構成を模式的に示す図である。但し、図２では、主に電力供給装置１０１、１０２の回路構成が示されている。

モータ駆動ユニット１０００は電源に接続される。電源は、それぞれ独立した第１電源４０３と第２電源４０４を備えている。電源４０３、４０４は所定の電源電圧（例えば１２Ｖ）を生成する。電源４０３、４０４として、例えば直流電源が用いられる。ただし、電源４０３、４０４は、ＡＣ−ＤＣコンバータまたはＤＣ―ＤＣコンバータであってもよいし、バッテリー（蓄電池）であってもよい。また、モータ駆動ユニット１０００は、内部に電源を備えていてもよい。

モータ駆動ユニット１０００は、コイル１０３、１０４、コンデンサ１０５、分離スイッチ１０６、１０７、第１インバータ１１１、第２インバータ１１２、第１中性点スイッチ１３２、第２中性点スイッチ１３１、モータ２００および制御回路３０１、３０２を備える。

モータ駆動ユニット１０００は、モータ２００のコイル（巻線）の一端２１０側に対応した第１系統と、モータ２００のコイル（巻線）の他端２２０側に対応した第２系統とを備えている。第１系統には、第１インバータ１１１と第１中性点スイッチ１３２と第１制御回路３０１が含まれる。第２系統には、第２インバータ１１２と第２中性点スイッチ１３１と第２制御回路３０２が含まれる。第１系統のインバータ１１１と制御回路３０１は第１電源４０３から電力を供給される。第２系統のインバータ１１２と制御回路３０２は第２電源４０４から電力を供給される。電源と制御回路を含んだ駆動系が、電源も含めて冗長化されているので、後述するように、一方の系統における電源の異常時にも、他方の系統によって電力供給が継続される。

電力供給装置１０１、１０２は、上述した２つの系統に一部が跨がった構成を有する。第１の電力供給装置１０１は、第１系統のインバータ１１１と第２系統の中性点スイッチ１３１と第１系統の制御回路３０１とを備えている。そして、第１系統のインバータ１１１と第２系統の中性点スイッチ１３１は、第１系統の制御回路３０１によって制御される。第２の電力供給装置１０２は、第２系統のインバータ１１２と第１系統の第１中性点スイッチ１３２と第２系統の制御回路３０２とを備えている。そして、第２系統のインバータ１１２と第１系統の第１中性点スイッチ１３２は、第２系統の制御回路３０２によって制御される。

電源４０３、４０４とインバータ１１１、１１２との間にはコイル１０３、１０４が備えられている。コイル１０３、１０４は、ノイズフィルタとして機能し、各インバータ１１１、１１２に供給される電圧波形に含まれる高周波ノイズを平滑化する。また、コイル１０３、１０４は、インバータ１１１、１１２で発生する高周波ノイズが電源４０３、４０４側に流出することを防ぐため高周波ノイズを平滑化する。また、各インバータ１１１、１１２の電源端子には、コンデンサ１０５が接続されている。コンデンサ１０５は、いわゆるバイパスコンデンサであり、電圧リプルを抑制する。コンデンサ１０５は、例えば電解コンデンサであり、容量および使用する個数は設計仕様などによって適宜決定される。

コイル１０３、１０４とインバータ１１１、１１２との間には、分離スイッチ１０６、１０７が備えられている。分離スイッチ１０６、１０７は、電源４０３、４０４とインバータ１１１、１１２との接続・非接続を切替えることができる。

第１インバータ１１１は、３個のレグを有するブリッジ回路を備える。各レグは、電源４０３とモータ２００との間に接続されたハイサイドスイッチ素子およびモータ２００とグランドとの間に接続されたローサイドスイッチ素子を備える。言い換えると、第１インバータ１１１は、モータ２００のコイル(巻線)の一端２１０と電源４０３との接続・非接続を３相のそれぞれについて切替える３個のハイサイドスイッチ素子を備える。また、第１インバータ１１１は、モータ２００のコイルの一端２１０とグランドとの接続・非接続を３相のそれぞれについて切替える３個のローサイドスイッチ素子を備える。

具体的には、Ｕ相用レグは、ハイサイドスイッチ素子１１３Ｈおよびローサイドスイッチ素子１１３Ｌを有する。Ｖ相用レグは、ハイサイドスイッチ素子１１４Ｈおよびローサイドスイッチ素子１１４Ｌを有する。Ｗ相用レグは、ハイサイドスイッチ素子１１５Ｈおよびローサイドスイッチ素子１１５Ｌを有する。スイッチ素子としては、例えば電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴなど）または絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）が用いられる。なお、スイッチ素子がＩＧＢＴである場合には、スイッチ素子と逆並列にダイオード（フリーホイール）が接続される。

第１インバータ１１１は、例えば、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各相の巻線に流れる電流を検出するための電流センサ４０１（図１を参照）として、シャント抵抗１１３Ｒ、１１４Ｒおよび１１５Ｒをそれぞれ各レグに有する。電流センサ４０１は、各シャント抵抗に流れる電流を検出する電流検出回路（不図示）を有する。例えば、シャント抵抗は、各レグにおいて、ローサイドスイッチ素子とグランドとの間に接続され得る。シャント抵抗の抵抗値は、例えば０．５ｍΩ〜１．０ｍΩ程度である。

シャント抵抗の数は３つ以外でもよい。例えば、Ｕ相、Ｖ相用の２つのシャント抵抗１１３Ｒ、１１４Ｒ、Ｖ相、Ｗ相用の２つのシャント抵抗１１４Ｒ、１１５Ｒ、または、Ｕ相、Ｗ相用の２つのシャント抵抗１１３Ｒ、１１５Ｒが用いられてもよい。使用されるシャント抵抗の数およびシャント抵抗の配置は、製品コストおよび設計仕様などが考慮されて適宜決定される。

第２インバータ１１２は、３個のレグを有するブリッジ回路を備える。第２インバータ１１２は、モータ２００のコイル(巻線)の他端２２０と電源４０４との接続・非接続を３相のそれぞれについて切替える３個のハイサイドスイッチ素子を備える。また、第２インバータ１１２は、モータ２００のコイルの他端２２０とグランドとの接続・非接続を３相のそれぞれについて切替える３個のローサイドスイッチ素子を備える。

Ｕ相用レグは、ハイサイドスイッチ素子１１６Ｈおよびローサイドスイッチ素子１１６Ｌを有する。Ｖ相用レグは、ハイサイドスイッチ素子１１７Ｈおよびローサイドスイッチ素子１１７Ｌを有する。Ｗ相用レグは、ハイサイドスイッチ素子１１８Ｈおよびローサイドスイッチ素子１１８Ｌを有する。第１インバータ１１１と同様に、第２インバータ１１２は、例えば、シャント抵抗１１６Ｒ、１１７Ｒおよび１１８Ｒを有する。

第１インバータ１１１は、モータ２００のコイルの一端２１０に接続される。具体的に説明すると、第１インバータ１１１のＵ相用レグ（つまり、ハイサイドスイッチ素子およびローサイドスイッチ素子の間のノード）は、モータ２００のＵ相コイルの一端２１０に接続される。第１インバータ１１１のＶ相用レグは、Ｖ相コイルの一端２１０に接続される。第１インバータ１１１のＷ相用レグは、Ｗ相コイルの一端２１０に接続される。

第２インバータ１１２は、モータ２００のコイルの他端２２０に接続される。具体的に説明すると、第２インバータ１１２のＵ相用レグは、モータ２００のＵ相コイルの他端２２０に接続される。第２インバータ１１２のＶ相用レグは、Ｖ相コイルの他端２２０に接続される。第２インバータ１１２のＷ相用レグは、Ｗ相コイルの他端２２０に接続される。

第１中性点スイッチ１３２は、第１インバータ１１１における電源４０３側に位置する電源端Ｅ１Ｈと、第１インバータ１１１におけるグランド側に位置するグランド端Ｅ１Ｌとに接続されている。第１中性点スイッチ１３２は、電源端Ｅ１Ｈとグランド端Ｅ１Ｌとの接続・非接続を切替える第１中性点リレー回路の一例として機能する。第１中性点スイッチ１３２における電源端Ｅ１Ｈとグランド端Ｅ１Ｌとの接続・非接続の切替えは、モータ２００の相数(ここでは一例として３相)よりも少ない数のスイッチ素子によって実行可能であるため、従来の構造より回路規模は小さい。

具体的には、第１中性点スイッチ１３２は、第１インバータ１１１について３個のハイサイドスイッチ素子１１３Ｈ、１１４Ｈおよび１１５Ｈの電源側と３個のローサイドスイッチ素子１１３Ｌ、１１４Ｌおよび１１５Ｌのグランド側との接続・非接続を１素子で切替えることができる。

第２中性点スイッチ１３１は、第２インバータ１１２における電源４０４側に位置する電源端Ｅ２Ｈと、第２インバータ１１２におけるグランド側に位置するグランド端Ｅ２Ｌとに接続されている。第２中性点スイッチ１３１は、電源端Ｅ２Ｈとグランド端Ｅ２Ｌとの接続・非接続を切替える第２中性点リレー回路の一例として機能する。第２中性点スイッチ１３１における電源端Ｅ２Ｈとグランド端Ｅ２Ｌとの接続・非接続の切替えは、モータ２００の相数(ここでは一例として３相)よりも少ない数のスイッチ素子によって実行可能であるため、従来の構造より回路規模は小さい。

具体的には、第２中性点スイッチ１３１は、第２インバータ１１２について３個のハイサイドスイッチ素子１１６Ｈ、１１７Ｈおよび１１８Ｈの電源側と３個のローサイドスイッチ素
子１１６Ｌ、１１７Ｌおよび１１８Ｌのグランド側との接続・非接続を１素子で切替えることができる。

再び図１を参照する。制御回路３０１、３０２は、例えば、電源回路３１１、３１２と、角度センサ３２１、３２２と、入力回路３３１、３３２と、マイクロコントローラ３４１、３４２と、駆動回路３５１、３５２と、ＲＯＭ３６１、３６２とを備える。制御回路３０１、３０２は電力供給装置１０１、１０２に接続される。そして、制御回路３０１、３０２は電力供給装置１０１、１０２を制御する。具体的には、上述したように、第１の制御回路３０１は、第１インバータ１１１および第２中性点スイッチ１３２を制御する。第２の制御回路３０２は、第２インバータ１１２および第１中性点スイッチ１３１を制御する。

制御回路３０１、３０２は、目的とするロータの位置（回転角）、回転速度、および電流などを制御してクローズドループ制御を実現することができる。回転速度は、例えば、回転角（ｒａｄ）を時間微分することにより得られ、単位時間（例えば１分間）にロータが回転する回転数（ｒｐｍ）で表される。制御回路３０１、３０２は、目的とするモータトルクを制御することも可能である。制御回路３０１、３０２は、トルク制御のためにトルクセンサを備えてもよいがトルクセンサが省かれていてもトルク制御は可能である。また、角度センサに替えてセンサレスアルゴリズムを備えてもよい。また、２つの制御回路３０１、３０２は、各々がモータの回転に同期して制御を行うことで相互の制御動作を同期させる。 電源回路３１１、３１２は、制御回路３０１、３０２内の各ブロックに必要なＤＣ電圧（例えば３Ｖ、５Ｖ）を生成する。

角度センサ３２１、３２２は、例えばレゾルバまたはホールＩＣである。角度センサ３２１、３２２は、磁気抵抗（ＭＲ）素子を有するＭＲセンサとセンサマグネットとの組み合わせによっても実現される。角度センサ３２１、３２２は、モータ２００のロータの回転角を検出し、検出した回転角を表した回転信号をマイクロコントローラ３４１、３４２に出力する。モータ制御手法（例えばセンサレス制御）によっては、角度センサ３２１、３２２は必要とされない場合がある。

電圧センサ４１１、４１２は、中性点スイッチ１３１、１３２の、インバータ１１１、１１２に接続された両端における電圧を検出し、検出した電圧値を入力回路３３１、３３２に出力する。第１系統の制御回路３０１に接続された電圧センサ４１１は、第２中性点スイッチ１３１の配線を介して第２系統のインバータ１１２の両端における電圧を検出する。第２系統の制御回路３０２に接続された電圧センサ４１２は、第１中性点スイッチ１３２の配線を介して第１系統のインバータ１１１の両端における電圧を検出する。

入力回路３３１、３３２は、電流センサ４０１、４０２によって検出されたモータ電流値（以下、「実電流値」と表記する。）と電圧センサ４１１、４１２によって検出された電圧値を受け取る。入力回路３３１、３３２は、マイクロコントローラ３４１、３４２の入力レベルに実電流値および電圧値のレベルを必要に応じて変換し、実電流値および電圧値をマイクロコントローラ３４１、３４２に出力する。入力回路３３１、３３２は、アナログデジタル変換回路である。

マイクロコントローラ３４１、３４２は、角度センサ３２１、３２２によって検出されたロータの回転信号を受信するとともに、入力回路３３１、３３２から出力された実電流値および電圧値を受信する。マイクロコントローラ３４１、３４２は、実電流値およびロータの回転信号などに従って目標電流値を設定してＰＷＭ信号を生成し、生成したＰＷＭ信号を駆動回路３５１、３５２に出力する。例えば、マイクロコントローラ３４１、３４２は、電力供給装置１０１、１０２のインバータ１１１、１１２における各スイッチ素子のスイッチング動作（ターンオンまたはターンオフ）を制御するためのＰＷＭ信号を生成する。

また、マイクロコントローラ３４１、３４２は、中性点スイッチ１３１、１３２のオン・オフの状態を決定する信号を、受信した電圧値に従って生成することが可能である。

駆動回路３５１、３５２は、例えばゲートドライバである。駆動回路３５１、３５２は、第１および第２インバータ１１１、１１２における各スイッチ素子のスイッチング動作を制御する制御信号（例えば、ゲート制御信号）をＰＷＭ信号に従って生成し、生成した制御信号を各スイッチ素子に与える。さらに、駆動回路３５１、３５２は、マイクロコントローラ３４１、３４２からの、各中性点スイッチ１３１、１３２のオン・オフの状態を決定する信号に従って、各中性点スイッチ１３１、１３２をオン・オフする制御信号を生成し、生成した制御信号を各中性点スイッチ１３１、１３２に与えることが可能である。 マイクロコントローラ３４１、３４２は、駆動回路３５１、３５２の機能を有していてもよい。その場合、駆動回路３５１、３５２は省かれる。

ＲＯＭ３６１、３６２は、例えば書き込み可能なメモリ（例えばＰＲＯＭ）、書き換え可能なメモリ（例えばフラッシュメモリ）または読み出し専用のメモリである。ＲＯＭ３６１、３６２は、マイクロコントローラ３４１、３４２に電力供給装置１０１、１０２を制御させるための命令群を含む制御プログラムを格納する。例えば、制御プログラムはブート時にＲＡＭ（不図示）に一旦展開される。

電力供給装置１０１、１０２の制御には正常時および異常時の制御がある。制御回路３０１、３０２（主としてマイクロコントローラ３４１、３４２）は、電力供給装置１０１、１０２の制御を正常時の制御から異常時の制御に切替えることができる。制御の種類に応じて、第１中性点スイッチ１３２および第２中性点スイッチ１３１のオン・オフ状態が決定される。 以下、モータ駆動ユニット１０００の動作の具体例を説明し、主として電力供給装置１００の動作の具体例を説明する。



（正常時の制御）

先ず、電力供給装置１０１、１０２の正常時の制御方法の具体例を説明する。正常とは、２つの電源４０３、４０４と、２つのインバータ１１１、１１２と、２つの制御回路３０１、３０２のいずれもが正しく動作する状態を指す。

正常時において、制御回路３０１、３０２は、第１中性点スイッチ１３２をオフし、かつ、第２中性点スイッチ１３１をオフする。これにより、第１インバータ１１１における電源端Ｅ１Ｈとグランド端Ｅ１Ｌとが非接続になるとともに、第２インバータ１１２における電源端Ｅ２Ｈとグランド端Ｅ２Ｌとが非接続になる。

この状態において、制御回路３０１、３０２は、第１インバータ１１１および第２インバータ１１２の両方を用いて三相通電制御することによってモータ２００を駆動する。一例として、制御回路３０１、３０２は、第１インバータ１１１のスイッチ素子と第２インバータ１１２のスイッチ素子とを、周期変動するデューティでスイッチング制御することにより三相通電制御を行うことができる。第１インバータ１１１と第２インバータ１１２とのそれぞれにおけるデューティの周期変動は制御回路３０１、３０２によって切り替え可能である。制御回路３０１、３０２は、例えば第１インバータ１１１と第２インバータ１１２とで逆位相（位相差＝１８０°）となる周期変動に切り替えてもよい。 図３は、正常時におけるモータ２００の各相の各コイルに流れる電流値を示す図である。

図３には、正常時の三相通電制御に従って電力供給装置１０１、１０２が制御されたときにモータ２００のＵ相、Ｖ相およびＷ相の各コイルに流れる電流値をプロットして得られる電流波形（正弦波）が例示されている。図３の横軸は、モータ電気角（ｄｅｇ）を示し、縦軸は電流値（Ａ）を示している。Ｉ_ｐｋは各相の最大電流値（ピーク電流値）を表している。なお、電力供給装置１０１、１０２は、図３に例示した正弦波以外に、例えば矩形波を用いてモータ２００を駆動することも可能である。

表１は、図３の正弦波において電気角毎に各インバータの端子に流れる電流値を示している。表１は、具体的に、第１インバータ１１１とＵ相、Ｖ相およびＷ相それぞれのコイルの一端２１０との接続点に流れる電気角３０°毎の電流値を示している。また、表１は、第２インバータ１１２とＵ相、Ｖ相およびＷ相それぞれのコイルの他端２２０との接続点に流れる、電気角３０°毎の電流値を示している。ここで、第１インバータ１１１に対しては、モータ２００の一端２１０から他端２２０に流れる電流方向を正の方向と定義する。また、第２インバータ１１２に対しては、モータ２００の他端２２０から一端２１０に流れる電流方向を正の方向と定義する。従って、第１インバータ１１１の電流と第２インバータ１１２の電流との位相差は１８０°となる。表１において、電流値Ｉ_１の大きさは〔（３）^１／２／２〕＊Ｉ_ｐｋであり、電流値Ｉ_２の大きさはＩ_ｐｋ／２である。

電気角０°において、Ｕ相のコイルは電流がゼロとなる。電気角０°において、Ｖ相のコイルには第２インバータ１１２から第１インバータ１１１に大きさＩ_１の電流が流れ、Ｗ相のコイルには第１インバータ１１１から第２インバータ１１２に大きさＩ_１の電流が流れる。

電気角３０°において、Ｕ相のコイルには第１インバータ１１１から第２インバータ１１２に大きさＩ_２の電流が流れ、Ｖ相のコイルには第２インバータ１１２から第１インバータ１１１に大きさＩ_ｐｋの電流が流れ、Ｗ相のコイルには第１インバータ１１１から第２インバータ１１２に大きさＩ_２の電流が流れる。

電気角６０°において、Ｕ相のコイルには第１インバータ１１１から第２インバータ１１２に大きさＩ_１の電流が流れ、Ｖ相のコイルには第２インバータ１１２から第１インバータ１１１に大きさＩ_１の電流が流れる。電気角６０°において、Ｗ相のコイルは電流がゼロとなる。

電気角９０°において、Ｕ相のコイルには第１インバータ１１１から第２インバータ１１２に大きさＩ_ｐｋの電流が流れ、Ｖ相のコイルには第２インバータ１１２から第１インバータ１１１に大きさＩ_２の電流が流れ、Ｗ相のコイルには第２インバータ１１２から第１インバータ１１１に大きさＩ_２の電流が流れる。

電気角１２０°において、Ｕ相のコイルには第１インバータ１１１から第２インバータ１１２に大きさＩ_１の電流が流れ、Ｗ相のコイルには第２インバータ１１２から第１インバータ１１１に大きさＩ_１の電流が流れる。電気角１２０°において、Ｖ相のコイルは電流がゼロとなる。

電気角１５０°において、Ｕ相のコイルには第１インバータ１１１から第２インバータ１１２に大きさＩ_２の電流が流れ、Ｖ相のコイルには第１インバータ１１１から第２インバータ１１２に大きさＩ_２の電流が流れ、Ｗ相のコイルには第２インバータ１１２から第１インバータ１１１に大きさＩ_ｐｋの電流が流れる。

電気角１８０°において、Ｕ相のコイルは電流がゼロとなる。電気角１８０°において、Ｖ相のコイルには第１インバータ１１１から第２インバータ１１２に大きさＩ_１の電流が流れ、Ｗ相のコイルには第２インバータ１１２から第１インバータ１１１に大きさＩ_１の電流が流れる。

電気角２１０°において、Ｕ相のコイルには第２インバータ１１２から第１インバータ１１１に大きさＩ_２の電流が流れ、Ｖ相のコイルには第１インバータ１１１から第２インバータ１１２に大きさＩ_ｐｋの電流が流れ、Ｗ相のコイルには第２インバータ１１２から第１インバータ１１１に大きさＩ_２の電流が流れる。

電気角２４０°において、Ｕ相のコイルには第２インバータ１１２から第１インバータ１１１に大きさＩ_１の電流が流れ、Ｖ相のコイルには第１インバータ１１１から第２インバータ１１２に大きさＩ_１の電流が流れる。電気角２４０°において、Ｗ相のコイルは電流がゼロとなる。

電気角２７０°において、Ｕ相のコイルには第２インバータ１１２から第１インバータ１１１に大きさＩ_ｐｋの電流が流れ、Ｖ相のコイルには第１インバータ１１１から第２インバータ１１２に大きさＩ_２の電流が流れ、Ｗ相のコイルには第１インバータ１１１から第２インバータ１１２に大きさＩ_２の電流が流れる。

電気角３００°において、Ｕ相のコイルには第２インバータ１１２から第１インバータ１１１に大きさＩ_１の電流が流れ、Ｗ相のコイルには第１インバータ１１１から第２インバータ１１２に大きさＩ_１の電流が流れる。電気角３００°において、Ｖ相のコイルは電流がゼロとなる。

電気角３３０°において、Ｕ相のコイルには第２インバータ１１２から第１インバータ１１１に大きさＩ_２の電流が流れ、Ｖ相のコイルには第２インバータ１１２から第１インバータ１１１に大きさＩ_２の電流が流れ、Ｗ相のコイルには第１インバータ１１１から第２インバータ１１２に大きさＩ_ｐｋの電流が流れる。

図３に示される電流波形において、電流の向きを考慮した三相のコイルに流れる電流の総和は電気角毎に「０」となる。ただし、電力供給装置１０１、１０２の回路構成によれば、三相のコイルに流れる電流は独立に制御される。このため、制御回路３０１、３０２は電流の総和が「０」以外の値となる制御を行うことも可能である。



（異常時の制御）

電力供給装置１００の異常時の制御方法の具体例を説明する。異常とは、２つの電源４０３、４０４と、２つのインバータ１１１、１１２と、２つの制御回路３０１、３０２の１つ以上に故障が生じている状態を指す。異常には、大きく分けて第１系統の異常と第２系統の異常とがある。また、各系統の異常としては、インバータ１１１、１１２の故障による異常と駆動系の異常がある。上述したように「駆動系の異常」とは、電源のみの異常、制御回路のみの異常、電源と制御回路との両方における異常、電源異常に伴い制御部も動作停止した状態などといった各種の異常状態を含む。また、インバータ１１１、１１２の故障は、インバータ回路内における断線、ショート、スイッチ素子の故障などを含む。

異常検知の一例として、制御回路３０１、３０２（主としてマイクロコントローラ３４１、３４２）は、電圧センサ４１１、４１２によって検出された電圧値を解析することで、２つの系統のうち自己が所属している系統に対する相手側の系統における異常を検知する。制御回路３０１、３０２は、自分の制御下にある電圧センサ４１１、４１２および中性点スイッチ１３１、１３２を介して相手側のインバータ１１１、１１２における電圧を確認することができる。具体的には、中性点スイッチ１３１、１３２はＤＣバス（図５の符号２３０、２４０）を介してインバータ１１１、１１２に接続されていて、電圧センサ４１１、４１２はＤＣバスの電圧を検出する。従って、制御回路３０１、３０２は、ＤＣバスの電圧を確認する。つまり、第１実装基板１００１および第２実装基板１００２は、基板間を跨いで第１インバータ１１１と第１中性点リレー回路１２２とを接続する接続線と、基板間を跨いで第２インバータ１１２と第２中性点リレー回路１２１とを接続する接続線を備え、第１制御回路３０１および第２制御回路３０２は、接続線の電圧を検出する。本実施形態において、接続線はＤＣバスを指す。

異常検知の他の一例として、マイクロコントローラ３４１、３４２は、モータの実電流値と目標電流値との差などを解析することで異常を検知することも可能である。ただし、制御回路３０１、３０２は、これらの手法に限られず、異常検知に関する公知の手法を広く用いることができる。

制御回路３０１、３０２は、マイクロコントローラ３４１、３４２で異常を検知すると、電力供給装置１０１、１０２の制御を正常時の制御から異常時の制御に切替える。例えば、正常時から異常時に制御を切替えるタイミングは、異常が検知されてから１０ｍｓｅｃ〜３０ｍｓｅｃ程度である。

制御回路３０１、３０２は、異常時には、相手側の系統について中性点スイッチ１３１、１３２をオンする。なお、制御回路３０１、３０２は、異常時以外の特定の場合にも中性点スイッチ１３１、１３２をオンしてもよい。また、分離スイッチ１０６、１０７は、制御信号が停止した状態では自ずとオフする。このため、制御回路３０１、３０２が動作不能となった場合などは、動作不能になった系統の分離スイッチ１０６、１０７がオフする。

例えば第１の制御回路３０１が異常を検知した場合には、第１の制御回路３０１が第２中性点スイッチ１３１をオンする。また、第２系統側の分離スイッチ１０７は、第２の制御回路３０２がオフするか自ずとオフする。

第２中性点スイッチ１３１がオンすると、第２インバータ１１２における電源端Ｅ２Ｈとグランド端Ｅ２Ｌとが接続される。その結果、３個のハイサイドスイッチ素子１１６Ｈ、１１７Ｈおよび１１８Ｈの電源側と３個のローサイドスイッチ素子１１６Ｌ、１１７Ｌおよび１１８Ｌのグランド側とが接続される。

この接続状態になると、ハイサイドスイッチ素子およびローサイドスイッチ素子の状態がどのような状態であっても、ハイサイドスイッチ素子およびローサイドスイッチ素子の寄生ダイオードと第２中性点スイッチ１３１とを介して、モータ２００の３相のコイルにおける他端２２０同士が接続される。従って、モータ２００のコイルはＹ結線される。そして、第２中性点スイッチ１３１が中性点として機能することになる。中性点として機能する第２中性点スイッチ１３１は、第２系統側の分離スイッチ１０７がオフすることで電源４０４から絶縁される。 この接続状態で、第１の制御回路３０１は、第１インバータ１１１を三相通電制御することでモータ２００のコイルを通電することができる。

第１の制御回路３０１が異常を検知した場合には、第２系統で異常が生じている。そして、第２系統の異常が駆動系の異常である場合、第２の制御回路３０２は、第２インバータ１１２に対する制御を失った状態(第２の制御回路３０２が失陥した状態)になっている。このような場合でも、第１の制御回路３０１が第２中性点スイッチ１３１を制御するので第２系統側で中性点が形成される。そして、第１系統側のインバータ１１１でモータ２００に対する電力供給が継続される。

第２の制御回路３０２が異常を検知した場合には、第２の制御回路３０２は第１中性点スイッチ１３２をオンするとともに第１系統側の分離スイッチ１０６をオフする。

第１中性点スイッチ１３２がオンすると、第１インバータ１１１における電源端Ｅ１Ｈとグランド端Ｅ１Ｌとが接続される。その結果、３個のハイサイドスイッチ素子１１３Ｈ、１１４Ｈおよび１１５Ｈの電源側と３個のローサイドスイッチ素子１１３Ｌ、１１４Ｌおよび１１５Ｌのグランド側とが接続される。

この接続状態になると、ハイサイドスイッチ素子およびローサイドスイッチ素子の状態がどのような状態であっても、ハイサイドスイッチ素子およびローサイドスイッチ素子の寄生ダイオードと第１中性点スイッチ１３２とを介して、モータ２００の３相のコイルにおける一端２１０同士が接続される。従って、モータ２００のコイルはＹ結線される。そして、第１中性点スイッチ１３２が中性点として機能することになる。中性点として機能する第１中性点スイッチ１３２は、第１系統側の分離スイッチ１０６がオフすることで電源４０３から絶縁される。 この接続状態で、第２の制御回路３０２は、第２インバータ１１２を三相通電制御することでモータ２００のコイルを通電することができる。

第２の制御回路３０２が異常を検知した場合には、第１系統で異常が生じている。そして、第１系統の異常が駆動系の異常である場合、第１の制御回路３０１は、第１インバータ１１１に対する制御を失った状態(第１の制御回路３０１が失陥した状態)になっている。このような場合でも、第２の制御回路３０２が第１中性点スイッチ１３２を制御するので第１系統側で中性点が形成される。そして、第２系統側のインバータ１１２でモータ２００に対する電力供給が継続される。

異常時における具体的な三相通電制御として、制御回路３０１、３０２は、例えば図３に示される電流波形と同様の波形が得られるようなＰＷＭ制御によってインバータ１１１、１１２の各スイッチング素子におけるスイッチング動作を制御する。

表２は、図３に示される電流波形と同様の波形が得られるような三相通電制御で例えば第２インバータ１１２が制御された場合に第２インバータ１１２の端子に流れる電流値を電気角毎に例示している。表２は具体的に、第２インバータ１１２とＵ相、Ｖ相およびＷ相それぞれのコイルの他端２２０との接続に流れる、電気角３０°毎の電流値を示している。電流方向の定義は上述したとおりである。

例えば、電気角３０°において、Ｕ相のコイルには第１インバータ１１１から第２インバータ１１２に大きさＩ_２の電流が流れ、Ｖ相のコイルには第２インバータ１１２から第１インバータ１１１に大きさＩ_ｐｋの電流が流れ、Ｗ相のコイルには第１インバータ１１１から第２インバータ１１２に大きさＩ_２の電流が流れる。電気角６０°において、Ｕ相のコイルには第１インバータ１１１から第２インバータ１１２に大きさＩ_１の電流が流れ、Ｖ相のコイルには第２インバータ１１２から第１インバータ１１１に大きさＩ_１の電流が流れる。電気角６０°において、Ｗ相のコイルは電流が「０」となる。中性点に流れ込む電流と中性点から流れ出る電流との総和は電気角毎に常に「０」になる。

表１および表２に示されるように、正常時および異常時の制御の間でモータ２００に流れるモータ電流は電気角毎に同一である。このため、異常時の制御において、正常時の制御におけるモータのトルクが維持される。

なお、異常時の異常箇所が、インバータ１１１、１１２内の１つのスイッチ素子である場合には、例えば特開２０１４−１９２９５０号公報に記載されている制御手法によってインバータ１１１、１１２が中性点とされることが可能である。但し、この制御手法の実現に際しては、制御信号のオン電圧が正常時と異常時とで異なる特殊なゲートドライバが必要とされる。このような制御手法に対し、中性点スイッチ１３１、１３２は異常時のみでオンされればよいため、制御信号のオン電圧は１つでよく、特殊なドライバが不要である。また、故障を生じたスイッチ素子を含んだインバータ１１１、１１２の使用は避けることが望ましいので、この点でも中性点スイッチ１３１、１３２によって中性点が形成される手法の方が優れている。



（モータ駆動ユニット１０００のハードウェア構成）



次に、モータ駆動ユニット１０００のハードウェア構成について説明する。 図４は、モータ駆動ユニット１０００のハードウェア構成を模式的に示す図である。

モータ駆動ユニット１０００は、ハードウェア構成として、上述したモータ２００と、第１実装基板１００１と、第２実装基板１００２と、ハウジング１００３と、コネクタ１００４、１００５とを備えている。

モータ２００からは、コイルの一端２１０と他端２２０が突き出して実装基板１００１、１００２に向かって延びている。コイルの一端２１０は、第２実装基板１００１に接続されるとともに第２実装基板１００１を貫通して第１実装基板１００１に接続されている。また、コイルの他端２２０は、第２実装基板１００１のみに接続されている。

第１実装基板１００１と第２実装基板１００２とは基板面が互いに対向している。基板面が対向した方向に、モータ２００の回転軸が延びている。第１実装基板１００１と第２実装基板１００２とモータ２００は、ハウジング１００３内に収容されることで互いの位置が固定されている。

第１実装基板１００１には、第１電源４０３からの電源コードが接続されるコネクタ１００４が取り付けられている。第２実装基板１００２には、第２電源４０４からの電源コードが接続されるコネクタ１００５が取り付けられている。 図５は、第１実装基板１００１および第２実装基板１００２のハードウェア構成を模式的に示す図である。

第１実装基板１００１には、第１インバータ１１１および第２中性点スイッチ１３１が実装されている。また、第１実装基板１００１とは別の第２実装基板１００２には、第２インバータ１１２および第１中性点スイッチ１３２が実装されている。第１系統と第２系統とに冗長化された各系統の回路が２枚の実装基板に振り分けられているので、２枚の実装基板について回路規模が同程度の効率的な素子配置が可能となる。

第１実装基板１００１および第２実装基板１００２には、基板間を跨いで第１インバータ１１１と第１中性点スイッチ１３２とを接続するＤＣバー２３０と、基板間を跨いで第２インバータ１１２と第２中性点スイッチ１３１とを接続するＤＣバー２４０が備えられている。なお、ＤＣバーに替えてバスバー、ピンなどが備えられてもよい。

第１実装基板１００１には、第１の制御回路３０１も実装されている。第２実装基板１００２には、第２の制御回路３０２も実装されている。各制御回路３０１、３０２が、各制御回路３０１、３０２による制御対象のインバータ１１１、１１２および中性点スイッチ１３１、１３２と同一の実装基板上に実装されているので制御のための配線が同一基板内に納まる。よって、効率的な素子配置が可能となる。

第１実装基板１００１上の第１インバータ１１１と第２実装基板１００２上の第１中性点スイッチ１３２は、第１実装基板１００１と第２実装基板１００２との対向方向で見た場合に互いに重なり合う位置に実装されている。また、第１実装基板１００１上の第２中性点スイッチ１３１と第２実装基板１００２上の第２インバータ１１２は、第１実装基板１００１と第２実装基板１００２との対向方向で見た場合に互いに重なり合う位置に実装されている。このような回路配置により、実装基板上の限られた配置面積が有効に活用された効率的な素子配置が可能となる。

第１実装基板１００１と第２実装基板１００２との対向方向で見た場合に、第１実装基板１００１上の第１インバータ１１１と第２実装基板１００２上の第２インバータ１１２とが互いに対称な配置となっている。また、第１実装基板１００１と第２実装基板１００２との対向方向で見た場合に、第１実装基板１００１上の第２中性点スイッチ１３１と第２実装基板１００２上の第１中性点スイッチ１３２とが互いに対称な配置となっている。このような対称な配置により、２枚の実装基板１００１、１００２について基板設計が共通化できる。(変形例) 図６は、本実施形態の変形例による回路構成を模式的に示す図である。 図６に示された変形例では、中性点スイッチ１３１、１３２に替えて中性点リレー回路１２１、１２２が備えられる。

第１中性点リレー回路１２２は、第１インバータ１１１における電源４０３側に位置する電源端Ｅ１Ｈと、第１インバータ１１１におけるグランド側に位置するグランド端Ｅ１Ｌとに接続される。第１中性点リレー回路１２２は、電源端Ｅ１Ｈとグランド端Ｅ１Ｌとの接続・非接続を切替えることができる。 第１中性点リレー回路１２２は、第１中性点リレー１２３とバックアップリレー１２４とを備える。

第１中性点リレー１２３は、第１インバータ１１１について３個のハイサイドスイッチ素子１１３Ｈ、１１４Ｈおよび１１５Ｈの電源側と３個のローサイドスイッチ素子１１３Ｌ、１１４Ｌおよび１１５Ｌのグランド側との接続・非接続を１素子で切替えることができる。

バックアップリレー１２４は、第１中性点リレー１２３に対して並列に接続される。第１中性点リレー１２３のオフ故障時にはバックアップリレー１２４によってスイッチ動作がバックアップされるので第１中性点リレー回路１２２は正常な動作を継続することができる。

第１インバータ１１１および第１中性点リレー回路１２２の各回路におけるハイサイドスイッチ素子１１３Ｈ、１１４Ｈ、１１５Ｈ、ローサイドスイッチ素子１１３Ｌ、１１４Ｌ、１１５Ｌおよび第１中性点リレー１２３は、還流ダイオードを有する半導体スイッチ素子である。そして、第１インバータ１１１と第１中性点リレー１２３とでは還流ダイオードが逆方向を向く。このような向きで接続される第１中性点リレー１２３を備えた第１中性点リレー回路１２２は、中性点の形成・非形成を切替えることができる。

第２中性点リレー回路１２１は、第２インバータ１１２における電源４０４側に位置する電源端Ｅ２Ｈと、第２インバータ１１２におけるグランド側に位置するグランド端Ｅ２Ｌとに接続されている。第２中性点リレー回路１２１は、電源端Ｅ２Ｈとグランド端Ｅ２Ｌとの接続・非接続を切替えることができる。 第２中性点リレー回路１２１は、第２中性点リレー１２５とバックアップリレー１２６とを備える。

第２中性点リレー１２５は、第２インバータ１１２について３個のハイサイドスイッチ素子１１６Ｈ、１１７Ｈおよび１１８Ｈの電源側と３個のローサイドスイッチ素子１１６Ｌ、１１７Ｌおよび１１８Ｌのグランド側との接続・非接続を１素子で切替えることができる。

バックアップリレー１２６は、第２中性点リレー１２５に対して並列に接続される。第２中性点リレー１２５のオフ故障時にはバックアップリレー１２６によってスイッチ動作がバックアップされるので第２中性点リレー回路１２１は正常な動作を継続することができる。

第２インバータ１１２および第２中性点リレー回路１２１の各回路におけるハイサイドスイッチ素子１１６Ｈ、１１７Ｈ、１１８Ｈ、ローサイドスイッチ素子１１６Ｌ、１１７Ｌ、１１８Ｌおよび第２中性点リレー１２５は、還流ダイオードを有する半導体スイッチ素子である。そして、第２インバータ１１２と第２中性点リレー１２５とでは還流ダイオードが逆方向を向く。このような向きで接続される第２中性点リレー１２５を備えた第２中性点リレー回路１２１は、中性点の形成・非形成を切替えることができる。 図７は、本実施形態の別の変形例による回路構成を模式的に示す図である。

図７に示された変形例では、バックアップリレーが中性点リレーに対して直列に接続される。具体的には、第１中性点リレー回路１２２のバックアップリレー１２４は、第１中性点リレー１２３と並列に電源端Ｅ１Ｈとグランド端Ｅ１Ｌに接続される。また、第２中性点リレー回路１２１のバックアップリレー１２６は、第２中性点リレー１２５と並列に電源端Ｅ２Ｈとグランド端Ｅ２Ｌに接続される。

中性点リレー１２３、１２５のオン故障時にはバックアップリレー１２４、１２６によって電流が遮断される。なお、中性点リレー１２３、１２５の故障時に中性点の形成が必要になった場合は、インバータ１１１、１１２の制御によってインバータ１１１、１１２内に中性点が形成される。 図８は、本実施形態の更に別の変形例による回路構成を模式的に示す図である。

図８に示された変形例では、２つの電源４０３、４０４は互いに独立であるがグランドが共通となっている。このように電源４０３、４０４のグランドが共通している場合には、インバータ１１１、１１２とグランドとの間に分離スイッチ１０８、１０９が備えられる。そして、上述した異常時には、異常が生じた系統の分離スイッチ１０８、１０９がオフされて、インバータ１１１からグランドへの電流経路が遮断される。このような遮断により、異常が生じた系統での中性点が形成され、正常な系統による三相通電制御が可能となる。

図８では、一例として、第１インバータ１１１用の第１電源４０３および第２インバータ１１２用の第２電源４０４が示されている。インバータ１１１、１１２とグランドとの間に分離スイッチ１０８、１０９が備えられるので、モータ駆動ユニット１０００は、第１インバータ１１１および第２インバータ１１２に共通の単一電源に接続されてもよい。 図９は、回路の実装構造が異なる変形例によるハードウェア構成を模式的に示す図である。

図９に示す変形例では、モータ２００のコイルの一端２１０および他端２２０が、モータ２００の回転軸周りの一部に偏った箇所でモータ２００から突き出し、実装基板１００１、１００２に向かって延びている。このようにコイルの一端２１０および他端２２０の位置が偏っている場合、２枚の実装基板１００１、１００２における回路配置は、対称的配置とは異なる配置となる。 図１０は、図９に示す変形例による実装基板のハードウェア構成を模式的に示す図である。

コイルの一端２１０および他端２２０は、２枚の実装基板１００１、１００２に対し、基板上の偏った部分に集中して接続されている。そして、各実装基板１００１、１００２上のインバータ１１１、１１２と中性点スイッチ１３１、１３２と制御回路３０１，３０２は、コイルの一端２１０および他端２２０が偏って集まっている一方の箇所から他方の箇所へと向かって、この順で並んで実装されている。

この変形例の場合にも、各制御回路３０１、３０２が、各制御回路３０１、３０２による制御対象のインバータ１１１、１１２および中性点スイッチ１３１、１３２と同一の実装基板上に実装されているので制御のための配線が同一基板内に納まる。よって、効率的な素子配置が可能となる。 図１１は、基板構成が異なる変形例による実装基板のハードウェア構成を模式的に示す図である。

図１１に示された変形例では、１枚の両面実装基板１００６が備えられている。両面実装基板１００６の表裏両面のうち一方の面に第１インバータ１１１および第２中性点スイッチ１３１が実装されている。一方の面に対する他方の面に第２インバータ１１２および第１中性点スイッチ１３２が実装されている。表裏両面のうち一方の面には、第１の制御回路３０１も実装されている。他方の面には第２の制御回路３０２も実装されている。第１系統と第２系統とに冗長化された各系統の回路が両面実装基板の表裏両面に振り分けられているので、表裏両面について回路規模が均された効率的な素子配置が可能となる。

両面実装基板１００６の表裏両面における具体的な回路配置は、一方の面における回路配置が、図５に示された第１実装基板１００１上の回路配置と同様となっており、他方の面における回路配置が、図５に示された第２実装基板１００２上の回路配置と同様となっている。このため、コイルの一端２１０と他端２２０に対する配線経路が簡素化された効率的な素子配置が可能であるとともに、両面
実装基板１００６の表裏両面について基板設計が共通化できる。 図１２は、基板構成が異なる別の変形例による実装基板のハードウェア構成を模式的に示す図である。

図１２に示されたハードウェア構成では、第１実装基板１００１と第２実装基板１００２とに加えて第３実装基板１００７が備えられている。第３実装基板１００７は、第１実装基板１００１と第２実装基板１００２の間に位置している。そして、制御回路３０１、３０２が第３実装基板１００７上に実装されているとともに、インバータ１１１、１１２および中性点スイッチ１３１、１３２は図５に示されたハードウェア構成と同様に第１実装基板１００１と第２実装基板１００２に実装されている。このようなハードウェア構成により、パワー回路と制御回路とが分離されるので安全性の向上、および電源配線の簡素化が可能となる。



（パワーステアリング装置の実施形態）

自動車等の車両は一般的に、パワーステアリング装置を備えている。パワーステアリング装置は、運転者がステアリングハンドルを操作することによって発生するステアリング系の操舵トルクを補助するための補助トルクを生成する。補助トルクは、補助トルク機構によって生成され、運転者の操作の負担を軽減することができる。例えば、補助トルク機構は、操舵トルクセンサ、ＥＣＵ、モータおよび減速機構などから構成される。操舵トルクセンサは、ステアリング系における操舵トルクを検出する。ＥＣＵは、操舵トルクセンサの検出信号に基づいて駆動信号を生成する。モータは、駆動信号に基づいて操舵トルクに応じた補助トルクを生成し、減速機構を介してステアリング系に補助トルクを伝達する。

上記実施形態のモータ駆動ユニット１０００は、パワーステアリング装置に好適に利用される。図１３は、本実施形態によるパワーステアリング装置２０００の構成を模式的に示す図である。 電動パワーステアリング装置２０００は、ステアリング系５２０および補助トルク機構５４０を備える。

ステアリング系５２０は、例えば、ステアリングハンドル５２１、ステアリングシャフト５２２（「ステアリングコラム」とも称される。）、自在軸継手５２３Ａ、５２３Ｂ、および回転軸５２４（「ピニオン軸」または「入力軸」とも称される。）を備える。

また、ステアリング系５２０は、例えば、ラックアンドピニオン機構５２５、ラック軸５２６、左右のボールジョイント５５２Ａ、５５２Ｂ、タイロッド５２７Ａ、５２７Ｂ、ナックル５２８Ａ、５２８Ｂ、および左右の操舵車輪（例えば左右の前輪）５２９Ａ、５２９Ｂを備える。

ステアリングハンドル５２１は、ステアリングシャフト５２２と自在軸継手５２３Ａ、５２３Ｂとを介して回転軸５２４に連結される。回転軸５２４にはラックアンドピニオン機構５２５を介してラック軸５２６が連結される。ラックアンドピニオン機構５２５は、回転軸５２４に設けられたピニオン５３１と、ラック軸５２６に設けられたラック５３２とを有する。ラック軸５２６の右端には、ボールジョイント５５２Ａ、タイロッド５２７Ａおよびナックル５２８Ａをこの順番で介して右の操舵車輪５２９Ａが連結される。右側と同様に、ラック軸５２６の左端には、ボールジョイント５５２Ｂ、タイロッド５２７Ｂおよびナックル５２８Ｂをこの順番で介して左の操舵車輪５２９Ｂが連結される。ここで、右側および左側は、座席に座った運転者から見た右側および左側にそれぞれ一致する。

ステアリング系５２０によれば、運転者がステアリングハンドル５２１を操作することによって操舵トルクが発生し、ラックアンドピニオン機構５２５を介して左右の操舵車輪５２９Ａ、５２９Ｂに伝わる。これにより、運転者は左右の操舵車輪５２９Ａ、５２９Ｂを操作することができる。

補助トルク機構５４０は、例えば、操舵トルクセンサ５４１、ＥＣＵ５４２、モータ５４３、減速機構５４４および電力供給装置５４５を備える。補助トルク機構５４０は、ステアリングハンドル５２１から左右の操舵車輪５２９Ａ、５２９Ｂに至るステアリング系５２０に補助トルクを与える。なお、補助トルクは「付加トルク」と称されることがある。

ＥＣＵ５４２としては、例えば図１などに示された制御回路３０１、３０２が用いられる。また、電力供給装置５４５としては、例えば図１などに示された電力供給装置１０１、１０２が用いられる。また、モータ５４３としては、例えば図１などに示されたモータ２００が用いられる。ＥＣＵ５４２、モータ５４３および電力供給装置５４５が、一般的に「機電一体型モータ」と称されるユニットを構成する場合には、当該ユニットとしては、例えば図４あるいは図９に示されたハードウェア構成のモータ駆動ユニット１０００が好適に用いられる。図１３に示された各要素のうち、ＥＣＵ５４２、モータ５４３および電力供給装置５４５を除いた要素で構成された機構は、モータ５４３によって駆動されるパワーステアリング機構の一例に相当する。

操舵トルクセンサ５４１は、ステアリングハンドル５２１によって付与されたステアリング系５２０の操舵トルクを検出する。ＥＣＵ５４２は、操舵トルクセンサ５４１からの検出信号（以下、「トルク信号」と表記する。）に基づいてモータ５４３を駆動するための駆動信号を生成する。モータ５４３は、操舵トルクに応じた補助トルクを駆動信号に基づいて発生する。補助トルクは、減速機構５４４を介してステアリング系５２０の回転軸５２４に伝達される。減速機構５４４は、例えばウォームギヤ機構である。補助トルクはさらに、回転軸５２４からラックアンドピニオン機構５２５に伝達される。

パワーステアリング装置２０００は、補助トルクがステアリング系５２０に付与される箇所によって、ピニオンアシスト型、ラックアシスト型、およびコラムアシスト型等に分類される。図１３には、ピニオンアシスト型のパワーステアリング装置２０００が示されている。ただし、パワーステアリング装置２０００は、ラックアシスト型、コラムアシスト型等にも適用される。

ＥＣＵ５４２には、トルク信号だけでなく、例えば車速信号も入力され得る。ＥＣＵ５４２のマイクロコントローラは、トルク信号や車速信号などに基づいてモータ５４３をベクトル制御することができる。

ＥＣＵ５４２は、少なくともトルク信号に基づいて目標電流値を設定する。ＥＣＵ５４２は、車速センサによって検出された車速信号を考慮し、さらに角度センサによって検出されたロータの回転信号を考慮して、目標電流値を設定することが好ましい。ＥＣＵ５４２は、電流センサ（図１参照）によって検出された実電流値が目標電流値に一致するように、モータ５４３の駆動信号、つまり、駆動電流を制御することができる。

パワーステアリング装置２０００によれば、運転者の操舵トルクにモータ５４３の補助トルクを加えた複合トルクを利用してラック軸５２６によって左右の操舵車輪５２９Ａ、５２９Ｂを操作することができる。特に、上述した機電一体型モータに、上記実施形態のモータ駆動ユニット１０００が利用されることにより、正常時および異常時のいずれにおいても適切な電流制御が可能となる。この結果、正常時および異常時のいずれにおいてもパワーステアリング装置におけるパワーアシストが継続される。

(第二変形例)



図１４は、本実施形態の第二変形例による回路構成を模式的に示す図である。 図１４に示された第二変形例では、１つの電源に対して中性点リレー回路１２１、１２２が備えられる。本変形例において、電源を一つとしたことにより、ハーネスおよびコネクタ端子数を減らすことができる。

第１中性点リレー回路１２２は、第１インバータ１１１における電源４０５側に接続される電源端Ｅ１Ｈと、第１インバータ１１１におけるグランド側に位置するグランド端Ｅ１Ｌとに接続される。第１中性点リレー回路１２２は、電源端Ｅ１Ｈとグランド端Ｅ１Ｌとの接続・非接続を切替えることができる。

第１インバータ１１１および第１中性点リレー回路１２２の各回路におけるハイサイドスイッチ素子１１３Ｈ、１１４Ｈ、１１５Ｈ、ローサイドスイッチ素子１１３Ｌ、１１４Ｌ、１１５Ｌおよび第１中性点リレー回路１２２は、還流ダイオードを有する半導体スイッチ素子である。そして、第１インバータ１１１と第１中性点リレー回路１２２とでは還流ダイオードが逆方向を向く。このような向きで接続される第１中性点リレー回路１２２は、中性点の形成・非形成を切替えることができる。

第２中性点リレー回路１２１は、第２インバータ１１２における電源４０５側に接続される電源端Ｅ２Ｈと、第２インバータ１１２におけるグランド側に位置するグランド端Ｅ２Ｌとに接続されている。第２中性点リレー回路１２１は、電源端Ｅ２Ｈとグランド端Ｅ２Ｌとの接続・非接続を切替えることができる。

第２インバータ１１２および第２中性点リレー回路１２１の各回路におけるハイサイドスイッチ素子１１６Ｈ、１１７Ｈ、１１８Ｈ、ローサイドスイッチ素子１１６Ｌ、１１７Ｌ、１１８Ｌおよび第２中性点リレー回路１２１は、還流ダイオードを有する半導体スイッチ素子である。そして、第２インバータ１１２と第２中性点リレー回路１２１とでは還流ダイオードが逆方向を向く。このような向きで接続される第２中性点リレー回路１２１は、中性点の形成・非形成を切替えることができる。

本実施形態において、分離スイッチ１０６、１０７、１０８、１０９は、電源４０５とインバータ１１１、１１２との接続・非接続を切替えることができる。

＜その他実施形態＞
以上に、本発明の実施形態を説明したが、実施形態における各構成およびそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはない。

例えば、２つの電源が第１インバータおよび第２インバータそれぞれに電力を供給する場合に、各インバータのグランドを共通にしてもよい。これにより、制御および電圧利用率を最大にすることができる。また、グランド線は、中性点リレー回路とインバータとの間に接続されてもよい。

本実施形態において、平滑用のコンデンサは、分離回路よりも電源側に接続するが、インバータ側に接続しても良い。より詳細に述べると、コンデンサの＋側は、分離回路と中性点回路との間に接続する。そして、コンデンサの−側は、電源の−側と中性点回路との間に接続する。これにより、コンデンサのショート故障も踏まえて分離回路を制御させることができる。なお、別の分離回路が、コンデンサの−側と電源との間に、接続しても良い。

１０１、１０２ ：電力供給装置１０６、１０７、１０８、１０９ ：分離スイッチ１１１ ：第１インバータ１１２ ：第２インバータ１２１ ：第２中性点リレー回路１２２ ：第１中性点リレー回路１３１ ：第２中性点スイッチ１３２ ：第１中性点スイッチ１２４、１２６ ：バックアップリレー２００ ：モータ２３０、２４０ ：ＤＣバス３０１、３０２ ：制御回路３１１、３１２ ：電源回路３２１、３２２ ：角度センサ３３１、３３２ ：入力回路３４１、３４２ ：マイクロコントローラ３５１、３５２ ：駆動回路３６１、３６２ ：ＲＯＭ４０１、４０２ ：電流センサ４０３、４０４ ：電源４１１、４１２ ：電圧センサ１０００ ：モータ駆動ユニット１００１、１００２、１００７ ：実装基板１００６ ：両面実装基板２０００ ：パワーステアリング装置

Claims (10)

1. 電源からの電力を、ｎ相（ｎは３以上の整数）の巻線を有するモータに供給する電力に変換する電力変換装置であって、
   
   
   
   前記巻線の一端に接続される第１インバータと、
   
   
   
   前記一端に対する他端に接続される第２インバータと、
   
   
   
   前記第１インバータにおける電源側に位置する電源端と、前記第１インバータにおけるグランド側に位置するグランド端とに接続され、かつ、それら電源端とグランド端との接続・非接続を切替える第１中性点リレー回路と、
   
   
   
   前記第２インバータにおける電源側に位置する電源端と、前記第２インバータにおけるグランド側に位置するグランド端とに接続され、かつ、それら電源端とグランド端との接続・非接続を切替える第２中性点リレー回路と、
   
   
   
   前記第１インバータおよび前記第２中性点リレー回路を制御する第１制御回路と、
   
   
   
   前記第２インバータおよび前記第１中性点リレー回路を制御する第２制御回路と、を備える電力変換装置。
2. 前記電源は、それぞれ独立した第１電源と第２電源を備え、
   
   
   
   前記第１制御回路および前記第１インバータは、前記第１電源から電力を供給され、
   
   
   
   前記第２制御回路および前記第２インバータは、前記第２電源から電力を供給される請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記第１インバータおよび前記第２中性点リレー回路が実装された第１実装基板と、
   
   
   
   前記第２インバータおよび前記第１中性点リレー回路が実装された、前記第１実装基板とは別の第２実装基板とを備える請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記第１実装基板および前記第２実装基板は、基板間を跨いで前記第１インバータと前記第１中性点リレー回路とを接続する接続線と、基板間を跨いで前記第２インバータと前記第２中性点リレー回路とを接続する接続線を備え、
   
   
   
   前記第１制御回路および前記第２制御回路は、前記接続線の電圧を検出する請求項３に記載の電力変換装置。
5. 表裏両面のうち一方の面に前記第１インバータおよび前記第２中性点リレー回路が実装され、前記一方の面に対する他方の面に前記第２インバータおよび前記第１中性点リレー回路が実装された両面実装基板を備える請求項１または２に記載の電力変換装置。
6. 前記第１インバータは、前記巻線の前記一端と前記電源との接続・非接続を前記ｎ相のそれぞれについて切替えるｎ個の上側リレー素子と、前記巻線の前記一端とグランドとの接続・非接続を前記ｎ相のそれぞれについて切替えるｎ個の下側リレー素子とを備え、
   
   
   
   前記第１中性点リレー回路は、前記第１インバータについて前記ｎ個の上側リレー素子の前記電源側と前記ｎ個の下側リレー素子の前記グランド側との接続・非接続を１素子で切替える中性点リレー素子を備え、
   
   
   
   前記第２インバータは、前記巻線の前記他端と前記電源との接続・非接続を前記ｎ相のそれぞれについて切替えるｎ個の上側リレー素子と、前記巻線の前記他端とグランドとの接続・非接続を前記ｎ相のそれぞれについて切替えるｎ個の下側リレー素子とを備え、
   
   
   
   前記第２中性点リレー回路は、前記第２インバータについて前記ｎ個の上側リレー素子の前記電源側と前記ｎ個の下側リレー素子の前記グランド側との接続・非接続を１素子で切替える中性点リレー素子を備え、
   
   
   
   前記第１インバータおよび前記第１中性点リレー回路の各回路における上側リレー素子、下側リレー素子および中性点リレー素子は、還流ダイオードを有する半導体スイッチ素子であり、前記第１インバータと前記第１中性点リレー回路とでは還流ダイオードが逆方向を向き、
   
   
   
   前記第２インバータおよび前記第２中性点リレー回路の各回路における上側リレー素子、下側リレー素子および中性点リレー素子は、還流ダイオードを有する半導体スイッチ素子であり、前記第２インバータと前記第２中性点リレー回路とでは還流ダイオードが逆方向を向く請求項１から５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
7. 前記第１中性点リレー回路および前記第２中性点リレー回路が、前記中性点リレー素子に対して並列または直列に接続されたバックアップリレー素子をさらに備える請求項６に記載の電力変換装置。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の電力変換装置と、
   
   
   
   前記電力変換装置に接続され、前記電力変換装置によって変換された電力が供給されるモータと、
   
   
   
   を備えた駆動装置。
9. 前記電力変換装置は、前記第１インバータおよび前記第２中性点リレー回路が実装された第１実装基板と、前記第２インバータおよび前記第１中性点リレー回路が実装された、
   
   
   
   前記第１実装基板とは別の第２実装基板とを備え、
   
   
   
   前記モータは、前記巻線の前記一端が、前記第２実装基板に接続されるとともに当該第２実装基板を貫通して前記第１実装基板に接続され、前記巻線の前記他端が前記第２実装基板のみに接続される請求項８に記載の駆動装置。
10. 請求項１から７のいずれか１項に記載の電力変換装置と、
    
    
    
    前記電力変換装置によって変換された電力が供給されるモータと、
    
    
    
    前記モータにより駆動されるパワーステアリング機構と、
    
    
    
    を備えるパワーステアリング装置。

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