JPWO2019159834A1 - 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

電力変換装置、駆動装置およびパワーステアリング装置 Download PDF

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Abstract

電力変換装置は、上アーム素子および下アーム素子を備えてモータの各相の巻線の一端に接続される第１インバータと、上アーム素子および下アーム素子を備えて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インバータの前記上アーム素子および前記第２インバータの前記下アーム素子に電力を供給する第１電源と、前記第２インバータの前記上アーム素子および前記第１インバータの前記下アーム素子に電力を供給する第２電源と、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、冗長化された電源の一方における異常時に他方の電源で電力供給を継続する仕組みが求められる。
そこで本発明は、電源の一方における異常時に他方の電源で電力供給を継続す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、上アーム素子および下アーム素子を備えてモータの各相の巻線の一端に接続される第１インバータと、上アーム素子および下アーム素子を備えて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インバータの前記上アーム素子および前記第２インバータの前記下アーム素子に電力を供給する第１電源と、前記第２インバータの前記上アーム素子および前記第１インバータの前記下アーム素子に電力を供給する第２電源と、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、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、電源の一方における異常時に他方の電源で電力供給を継続す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４ａは、異常時におけるモータの各相の各コイルに流れる電流値の例を示す図である。 図４ｂは、異常時におけるモータの各相の各コイルに流れる電流値の変形例を示す図である。 図５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６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７は、本実施形態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８は、本実施形態の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９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。
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が省かれた、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が省かれた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、電流センサ４０１および電圧センサ４１１を備える。第２の電力供給装置１０２は、第２インバータ１１２、電流センサ４０２および電圧センサ４１２を備える。
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。
各インバータ１１１、１１２は上アーム１３１、１３２と下アーム１４１、１４２を備える。第１インバータ１１１は、モータ２００の各相のコイルの一端２１０に接続され、第２インバータ１１２は、モータ２００の各相のコイルの他端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インバータ１１１の上アーム１３１と第２インバータ１１２の下アーム１４２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インバータ１１２の上アーム１３２と第１インバータ１１１の下アーム１４１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。
モータ駆動ユニット１０００は、電源４０３、４０４、コイル１０３、１０４、コンデンサ１０５、第１インバータ１１１、第２インバータ１１２、モータ２００および制御回路３０１、３０２を備える。
第１電源４０３と第２電源４０４は互いに独立の電源である。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。
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。
第１インバータ１１１は、上アーム１３１および下アーム１４１を備えてモータ２００の各相のコイルの一端２１０に接続される。上アーム１３１は、各々が電源とモータ２００との間に接続された３つのハイサイドスイッチ素子を備える。下アーム１４１は、各々がモータ２００とグランドとの間に接続された３つのローサイドスイッチ素子を備える。
具体的には、Ｕ相のコイルの一端２１０には、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が接続される。Ｖ相のコイルの一端２１０には、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が接続される。Ｗ相のコイルの一端２１０には、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が接続される。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備える。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）を備える。例えば、シャント抵抗は、ローサイドスイッチ素子１１３Ｌ、１１４Ｌおよび１１５Ｌ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、上アーム１３２および下アーム１４２を備えてモータ２００の各相のコイルの他端２２０に接続される。上アーム１３２は、各々が電源とモータ２００との間に接続された３つのハイサイドスイッチ素子を備える。下アーム１４２は、各々がモータ２００とグランドとの間に接続された３つのローサイドスイッチ素子を備える。
具体的には、Ｕ相のコイルの他端２２０には、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が接続される。Ｖ相のコイルの他端２２０には、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が接続される。Ｗ相のコイルの他端２２０には、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が接続される。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系統とを備える。第１系統には、第１電源４０３と第１インバータ１１１と第１制御回路３０１が含まれる。第２系統には、第２電源４０４第２インバータ１１２と第２制御回路３０２が含まれる。 電源４０３、４０４による電力供給の対象と制御回路３０１、３０２による制御の対象は、上述した２つの系統に跨がる。
第１電源４０３は、第１インバータ１１１の上アーム１３１および第２インバータ１１２の下アーム１４２に電力を供給する。第２電源４０４は、第２インバータ１１２の上アーム１３２および第１インバータ１１１の下アーム１４１に電力を供給する。
第１制御回路３０１は、第１インバータ１１１の上アーム１３１および第２インバータ１１２の下アーム１４２を制御する。第２制御回路３０２第２インバータ１１２の上アーム１３２および第１インバータ１１１の下アーム１４１を制御する。
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は上述したように第１インバータ１１１および第２インバータ１１２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、回路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は省かれる場合がある。 電圧センサ４１１、４１２は、モータ２００のコイルの各相間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。
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、第１インバータ１１１および第２インバータ１１２を制御する制御方式を、受信した電圧値に従って決定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インバータ１１１および第２インバータ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。 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（主としてインバータ１１１、１１２）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。 制御回路３０１、３０２（主としてマイクロコントローラ３４１、３４２）によるインバータ１１１、１１２の制御には正常時および異常時の制御がある。 以下、モータ駆動ユニット１０００の動作の具体例を説明し、主としてインバータ１１１、１１２の動作の具体例を説明する。

（正常時の制御）
先ず、インバータ１１１、１１２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インバータ１１１および第２インバータ１１２における上アーム１３１、１３２と下アーム１４１、１４２と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第１インバータ１１１および第２インバータ１１２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）を示す。Ｉpkは各相の最大電流値（ピーク電流値）を表す。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す。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°毎の電流値を示す。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°毎の電流値を示す。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Ｉ1の大きさは〔（３）1/2／２〕＊Ｉpkであり、電流値Ｉ2の大きさはＩpk／２である。
Figure 2019159834
電気角０°において、Ｕ相のコイルは電流が「０」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Ｉ1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Ｉ1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Ｉ2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Ｉpk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Ｉ2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Ｉ1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Ｉ1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。
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Ｉpk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Ｉ2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Ｉ2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Ｉ1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Ｉ1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「０」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Ｉ2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Ｉ2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Ｉpk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「０」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Ｉ1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Ｉ1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Ｉ2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Ｉpk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Ｉ2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Ｉ1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Ｉ1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「０」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Ｉpk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Ｉ2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Ｉ2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Ｉ1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Ｉ1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「０」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Ｉ2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Ｉ2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Ｉpk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）

異常時における第１インバータ１１１および第２インバータ１１２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た状態を指す。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、電源４０３、４０４および制御回路３０１、３０２を含む駆動系の異常がある。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。
「駆動系の異常」は、電源４０３、４０４のみの異常、制御回路３０１、３０２のみの異常、電源４０３、４０４と制御回路３０１、３０２との両方における異常、電源４０３、４０４の異常に伴い制御回路３０１、３０２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。
インバータ１１１、１１２の故障による異常時における制御方法としては、例えば特開２０１４−１９２９５０号公報に記載された制御方法などが用いられる。以下では、駆動系の異常時における制御方法について説明する。
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た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上アーム１３１、１３２および下アーム１４１、１４２を介して相手側の制御回路３０１、３０２の制御下にある上アーム１３１、１３２および下アーム１４１、１４２における電圧を確認することができる。具体的には、１つのインバータ１１１、１１２に備えられ互いに接続された上アーム１３１、１３２と下アーム１４１、１４２が別々の制御回路３０１、３０２の制御対象となる。そして、電圧センサ４１１、４１２は上アーム１３１、１３２と下アーム１４１、１４２とを接続した配線の電圧を検出する。
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、インバータ１１１、１１２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、インバータ１１１、１１２について半波駆動制御を行う。半波駆動制御では、インバータ１１１、１１２が備えた上アーム１３１、１３２および下アーム１４１、１４２のうち、正常な制御回路３０１、３０２が制御対象とする上アーム１３１、１３２および下アーム１４１、１４２のみが駆動される。
例えば、制御回路３０１、３０２は、第１電源４０３および第２電源４０４の一方が作動不良を起こした場合、他方を用いて第１インバータ１１１および第２インバータ１１２を駆動させる。この結果、モータ駆動ユニット１０００は、電源４０３、４０４の一方における異常時に他方の電源で電力供給を継続することが可能となる。
具体的には、第１系統の制御回路３０１が第２系統の駆動系の異常を検知した場合には、第１系統の制御回路３０１による、第１インバータ１１１の上アーム１３１および第２インバータ１１２の下アーム１４２のみの駆動制御でモータ２００に電力が供給される。第１系統の制御回路３０１は、第２電源４０４および第２制御回路３０２を含む第２系統側の駆動系の動作が正常であるか否かに応じた制御を行う。
また、第２系統の制御回路３０２が第１系統の駆動系の異常を検知した場合には、第２系統の制御回路３０２による、第２インバータ１１２の上アーム１３２および第１インバータ１１１の下アーム１４１のみの駆動制御でモータ２００に電力が供給される。第２系統の制御回路３０２は、第１電源４０３および第１制御回路３０１を含む第１系統側の駆動系の動作が正常であるか否かに応じた制御を行う。
第１系統と第２系統とで制御回路３０１、３０２が互いに相手側の状態に応じた制御を行うことで、第１系統と第２系統とのどちらで異常が生じた場合であっても、電力供給のために適切な駆動制御が行われる。図４ａは、異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４ａには、異常時の半波駆動制御に従って第１インバータ１１１および第２インバータ１１２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が例示される。図４ａの横軸は、モータ電気角（ｄｅｇ）を示し、縦軸は電流値（Ａ）を示す。Ｉpkは各相の最大電流値（ピーク電流値）を表す。
図４ａに例示された電流波形によれば、モータの出力トルクが一定値となる。なお、電力供給装置１０１、１０２は、図４ａに例示された電流波形以外の電流波形を用いてモータ２００を駆動することも可能である。例えば電力供給装置１０１、１０２は、図４ｂに例示された台形波の電流波形を用いてモータ２００を駆動することも可能である。
表２は、図４ａに示される電流波形が得られるような通電制御で第１インバータ１１１および第２インバータ１１２が制御された場合にモータ２００のＵ相、Ｖ相およびＷ相の各コイルに流れる電流値を電気角毎に例示する。表２は具体的に、例えば第１系統側で異常が生じた場合に第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との接続点に流れる、電気角３０°毎の電流値を示す。電流方向の定義は上述したとおりである。
Figure 2019159834
電気角０°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Ｉ2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Ｉpkの電流が流れ、Ｖ相のコイルは電流が「０」となる。
電気角３０°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Ｉ1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Ｉ1の電流が流れ、Ｖ相のコイルコイルは電流が「０」となる。
電気角６０°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Ｉpk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Ｉ2の電流が流れ、Ｖ相のコイルコイルは電流が「０」となる。
電気角９０°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Ｉ1の電流が流れ、Ｖ相およびＷ相のコイルは電流が「０」となる。
電気角１２０°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Ｉpk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Ｉ2の電流が流れ、Ｗ相のコイルは電流が「０」となる。
電気角１５０°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Ｉ1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Ｉ1の電流が流れ、Ｗ相のコイルは電流が「０」となる。
電気角１８０°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Ｉ2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Ｉpkの電流が流れ、Ｗ相のコイルは電流が「０」となる。
電気角２１０°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Ｉ1の電流が流れ、Ｕ相およびＷ相のコイルは電流が「０」となる。
電気角２４０°において、Ｕ相のコイルは電流が「０」となり、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Ｉpk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Ｉ2の電流が流れる。
電気角２７０°において、Ｕ相のコイルは電流が「０」となり、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Ｉ1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Ｉ1の電流が流れる。
電気角３００°において、Ｕ相のコイルは電流が「０」となり、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Ｉ2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Ｉpkの電流が流れる。
電気角３３０°において、Ｕ相およびＶ相のコイルは電流が「０」となり、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Ｉ1の電流が流れる。

（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５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に向かって延びる。コイルの一端２１０と他端２２０との双方は、第１実装基板１００１および第２実装基板１００２の一方に接続されると共に、一端２１０と他端２２０との双方が第１実装基板１００１および第２実装基板１００２の当該一方を貫通して他方に接続される。具体的には、コイルの一端２１０と他端２２０との双方が例えば第２実装基板１００２に接続される。また、コイルの一端２１０と他端２２０との双方が、第２実装基板１００２を貫通して第１実装基板１００１に接続される。
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する。基板面が対向した方向に、モータ２００の回転軸が延びる。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が取り付けられる。 図６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の上アーム１３１および第２インバータ１１２の下アーム１４２が実装される。また、第２実装基板１００２には、第２インバータ１１２の上アーム１３２および第１インバータ１１１の下アーム１４１が実装される。２枚の実装基板１００１、１００２に対するこのような素子の振り分けによってコイルの一端２１０および他端２２０に対する上アーム１３１、１３２および下アーム１４１、１４２の配線が簡略化されて効率的な素子配置が可能となる。
第１実装基板１００１には、第１の制御回路３０１も実装されてもよい。第２実装基板１００２には、第２の制御回路３０２も実装されてもよい。各制御回路３０１、３０２が、各制御回路３０１、３０２による制御対象の素子と同一の実装基板上に実装されると、制御のための配線が基板内に納まる。よって効率的な素子配置が可能である。
第１実装基板１００１上の上アーム１３１と第２実装基板１００２上の下アーム１４１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もよい。また、第１実装基板１００１上の下アーム１４２と第２実装基板１００２上の上アーム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もよい。このような回路配置により、実装基板１００１、１００２上の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上の上アーム１３１と第２実装基板１００２上の上アーム１３２とが互いに対称な配置でもよい。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上の下アーム１４２と第２実装基板１００２上の下アーム１４１とが互いに対称な配置でもよい。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７は、本実施形態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７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の上アーム１３１および第２インバータ１１２の下アーム１４２が実装される。一方の面に対する他方の面に第２インバータ１１２の上アーム１３２および第１インバータ１１１の下アーム１４１が実装される。両面実装基板１００６の表裏両面に対するこのような素子の振り分けによってコイルの一端２１０および他端２２０に対する上アーム１３１、１３２および下アーム１４１、１４２の配線が簡略化されて効率的な素子配置が可能となる。
表裏両面のうち一方の面には、第１の制御回路３０１も実装されてもよい。他方の面には第２の制御回路３０２も実装されてもよい。各制御回路３０１、３０２が、各制御回路３０１、３０２による制御対象の素子と同一の基板面に実装されると、制御のための配線が一方の面側と他方の面側とに分けられて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、例えば図６に示された第１実装基板１００１上の回路配置と同様であり、他方の面における回路配置が、例えば図６に示された第２実装基板１００２上の回路配置と同様である。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８は、本実施形態の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８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が備えられる。第３実装基板１００７は、例えば第１実装基板１００１と第２実装基板１００２の間に位置する。そして、例えば、制御回路３０１、３０２が第３実装基板１００７上に実装されるとともに、インバータ１１１、１１２の上アーム１３１、１３２および下アーム１４１、１４２は、例えば図６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９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５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９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９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。
１０１、１０２ ：電力供給装置１１１ ：第１インバータ１１２ ：第２インバータ１３１、１３２ ：上アーム１４１、１４２ ：下アーム２００ ：モータ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 (8)

  1. 上アーム素子および下アーム素子を備えてモータの各相の巻線の一端に接続される第１インバータと、



    上アーム素子および下アーム素子を備えて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インバータの前記上アーム素子および前記第２インバータの前記下アーム素子に電力を供給する第１電源と、



    前記第２インバータの前記上アーム素子および前記第１インバータの前記下アーム素子に電力を供給する第２電源と、



    を備える電力変換装置。
  2. 前記第１電源および前記第２電源の一方が作動不良を起こした場合、他方を用いて前記第１インバータおよび前記第２インバータを駆動させる制御部を備える請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 前記制御部は、



    前記第１インバータの前記上アーム素子および前記第２インバータの前記下アーム素子を制御する第１制御部と、



    前記第２インバータの前記上アーム素子および前記第１インバータの前記下アーム素子を制御する第２制御部と、



    を備え、



    前記第１制御部は、前記第２電源および前記第２制御部を含む第２側駆動系の動作が正常であるか否かに応じた制御を行い、



    前記第２制御部は、前記第１電源および前記第１制御部を含む第１側駆動系の動作が正常であるか否かに応じた制御を行う請求項２に記載の電力変換装置。
  4. 前記第１インバータの前記上アーム素子および前記第２インバータの前記下アーム素子が実装された第１実装基板と、



    前記第２インバータの前記上アーム素子および前記第１インバータの前記下アーム素子が実装された第２実装基板と、



    を備える請求項１から３のいずれか１項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インバータの前記上アーム素子および前記第２インバータの前記下アーム素子が実装され、前記一方の面に対する他方の面に前記第２インバータの前記上アーム素子および前記第１インバータの前記下アーム素子が実装された両面実装基板を備える請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  6. 請求項１から５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、



    を備える駆動装置。
  7. 前記電力変換装置は、前記第１インバータの前記上アーム素子および前記第２インバータの前記下アーム素子が実装された第１実装基板と、前記第２インバータの前記上アーム素子および前記第１インバータの前記下アーム素子が実装された第２実装基板とを備え、



    前記モータは、前記巻線の前記一端と前記他端との双方が、前記第１実装基板および前記第２実装基板の一方に接続されると共に、前記双方が前記一方を貫通して他方に接続される請求項６に記載の駆動装置。
  8. 請求項１から５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、



    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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