WO2007129359A1

WO2007129359A1 - 電動機制御装置

Info

Publication number: WO2007129359A1
Application number: PCT/JP2006/308323
Authority: WO
Inventors: Isao Kezoubou; Masahiro Kimata; Takayuki Kifuku; Kazumichi Tsutsumi; Chiaki Fujimoto; Noriyuki Inoue
Original assignee: Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha
Priority date: 2006-04-20
Filing date: 2006-04-20
Publication date: 2007-11-15
Also published as: KR101040890B1; US7990093B2; CN101401295A; EP2009782A1; JP4772116B2; KR101139146B1; EP2009782A4; JPWO2007129359A1; EP2009782B1; CN101401295B; KR20080108121A; KR20110036650A; US20090021207A1

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

明細書

電動機制御装置

技術分野

[0001] 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。

背景技術

[0002] 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、スィ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、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。

[0003] 特許文献 1 :特開 2003-81099号公報

特許文献 2：特開 2005- 153570号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] 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、目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、目の地絡、目卷線の短絡、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ぐ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力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力制御は継続していない。

[0005] 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力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ょ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、と、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、複数のスィ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つて、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。

[0006] 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、目の地絡、目卷線の短絡、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。

課題を解決するための手段

[0007] 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、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力のスイツ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力成るインバータ、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。

[0008] 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ぐ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 V、て電流制御を実行するように構成したものである。

発明の効果

[0009] 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。

[0010] 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。

[0011] 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。

発明を実施するための最良の形態

[0012] 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相の卷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 61 A〜63A、 61B〜63Bのチヨッパ制御を実現し、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力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ぐ 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。

[0014] 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ベぐ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。

[0015] なお、正常時電流制御手段 31は、例えば、国際公開 WO2005Z091488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ぐ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。

[0016] 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相力インバータ配線の V相力、モータとインバータを結ぶ配線の V相力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、すなわち目の地絡が発生した場合について説明する。

[0017] 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ベぐ 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ベぐ図 3で示す制御方式を実行する。

[0018] 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、ノ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 4 3から出力された U、 W相の指令に、負電圧回路 54のノッテリ負電圧値 VNをそれぞれ加算し、 U、 W相電圧指令を生成する。ここでいぅ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=—VBZ2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。

[0019] 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卷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ょ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。

[0020] 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 61 A、 6 IB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。

[0021] 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、スイツ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力これは、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ベきであるが、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、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ぐまた、トルク脈動も大きくなるという問題がある。

[0022] 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、ノィズゃ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。

し力しながら、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ぐ 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。

[0023] 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。

[0024] 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〖こ供給し、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。

[0025] 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!、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力 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。

[0026] 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 l l ld、 l l lq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力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。

[0027] 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力 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。

[0028] 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/ J、さくすることができる。 [0029] なお、以上の実施の形態では、目が地絡する異常について述べたが、目が天絡する異常、つまり、モータ配線か、インバータ配線力、モータとインバータを結ぶ配線のうち一箇所力ノ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ぉ、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。

[0030] 実施の形態 4.

実施の形態 1は、 V相の、モータ配線か、インバータ配線力、モータとインバータを結ぶ配線のうち一箇所が、ノ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、すなわち目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、インバータ配線力、モータとインバータを結ぶ配線のうち一箇所力 V相の、モータ配線か、インバータ配線力、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。

[0031] 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ベぐ U相のスイッチング素子 61 A、 6 IBの駆動を停止する指令をスィ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 61 A、 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。 [0032] 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。

[0033] 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力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。

これによつて、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。

[0034] 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 «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。

[0035] 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相のモータ卷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、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ぐまた、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力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ぐまた、トルク脈動が大きくなるという問題がある。

[0036] 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。

[0037] また、前記相間短絡する異常時にお!、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。

[0038] 実施の形態 5.

この実施の形態 5では、モータ卷線の 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相の卷線が短絡する異常、すなわち U相短絡が発生した場合にっ、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ベぐ図 16 で示す制御方式を実行する。

[0039] 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相卷線を流れる電流の合計であり、 U 相卷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、て個別に制御を実施する。

[0040] 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卷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 30 0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 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、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。

[0041] 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。

前記目短絡する異常時には、短絡箇所と短絡した卷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。

前記目短絡する異常時に、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ぐまた、トルク脈動も大きくなるという問題がある。

[0042] 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。

[0043] 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つて、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。

[0044] 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。

[0045] 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力 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。

[0046] 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、図示しない運転者力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'ピユオンギヤ 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相の卷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ベく電源 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。

[0047] 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力じめ記憶して、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ベぐ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。

[0048] 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ぐまた、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。 [0049] なお、以上で述べた電動機制御装置は、実施の形態 1〜3で示したものであつたが、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っヽて述べる。

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相のモータ卷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、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ぐまた、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力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ぐまた、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ノ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。

[0050] 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。

前記目短絡する異常時には、短絡箇所と短絡した卷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。

前記目短絡する異常時に、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ぐまた、正負にトルク脈動が大きくなると、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。

[0051] 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。

図面の簡単な説明

[0052] [図 1]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。

[図 2]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。

[図 3]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。

[図 4]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プロック図である。

[図 5]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。

[図 6]電動機制御装置において目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。

[図 7]従来の制御を用いた場合の、目が地絡する異常時におけるモータトルク波形図である。

[図 8]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、目が地絡する異常時におけるモータトルク波形図である。

[図 9]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。

[図 10]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。

[図 11]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。

[図 12]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。

[図 13]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。

圆 14]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。

[図 15]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

[図 16]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。

[図 17]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。

[図 18]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。

圆 19]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。

[図 20]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。

圆 21]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。

[図 22]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

請求の範囲

[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力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力も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力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力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力も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力成るインバータ、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力出力される 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ィ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力発生できな、モータ回転角度近傍にぉ、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つの相の卷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ぐ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力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。