WO2014148427A1

WO2014148427A1 - モータ駆動装置

Info

Publication number: WO2014148427A1
Application number: PCT/JP2014/057125
Authority: WO
Inventors: 増田唯
Original assignee: Ntn株式会社
Priority date: 2013-03-22
Filing date: 2014-03-17
Publication date: 2014-09-25
Also published as: EP2978125A1; JP6184712B2; CN105103436B; US20160006388A1; US9692345B2; JP2014187747A; EP2978125A4; CN105103436A

Abstract

　駆動電源と制御装置との間の損失を低減することができるモータ駆動装置を提供する。このモータ駆動装置６は、複数のモータ４と、これらモータ４を駆動する単一の駆動電源７と、前記複数のモータ４のモータコイルへの通電時間をＰＷＭ駆動方式で制御する制御装置８とを備える。制御装置８は、モータ４へ電流を流すＰＷＭ信号を、モータ毎に異なる位相とする位相ずらし手段１０ａを有する。この位相ずらし手段１０ａが、モータ４へ電流を流すＰＷＭ信号をモータ毎に異なる位相とすることで、電流の通電時間のいわゆるオーバーラップを回避する。

Description

モータ駆動装置

関連出願

　本出願は、２０１３年３月２２日出願の特願２０１３－０５９４０３の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。

　この発明は、例えば複数のモータを単一の駆動電源で駆動する電気自動車等に適用される、モータ駆動装置に関する。

　従来、左右の車輪をそれぞれ駆動するモータを単一の駆動電源で駆動する電気自動車が提案されている（特許文献１）。これらのモータを制御する制御装置は、例えば、駆動電源の直流電力をモータの駆動に用いる３相の交流電力に変換するインバータと、このインバータを制御するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）ドライバとを有する。前記インバータは、複数の半導体スイッチング素子を有し、前記ＰＷＭドライバは、入力された電流指令をパルス幅変調し、前記各半導体スイッチング素子にオンオフ指令を与える。

特開２００７－２１６９３０号公報

　前記のように単一の駆動電源から複数のモータを、ＰＷＭ方式で同時に駆動する場合、駆動電源と制御装置との間の銅損は、駆動電源がモータ毎にそれぞれ設けられる場合に比較して、ＰＷＭドライバにより各モータへ通電する期間が重なるほど、増加する課題がある。駆動電源－制御装置（インバータ）間の損失要因として、駆動電源の内部抵抗、ハーネスの抵抗等がある。

　この発明の目的は、駆動電源と制御装置との間の損失を低減することができるモータ駆動装置を提供することである。

　以下、この発明において理解を容易にするために、便宜上実施形態の符号を参照して説明する。

　この発明のモータ駆動装置６は、複数のモータ４と、これらモータ４を駆動する単一の駆動電源７と、前記複数のモータ４のモータコイルへの通電時間をＰＷＭ駆動方式で制御する制御装置８とを備えたモータ駆動装置６において、前記制御装置８は、前記モータ４へ電流を流すＰＷＭ信号を、モータ毎に異なる位相とする位相ずらし手段１０ａを有することを特徴とする。

　駆動電源７と制御装置８との間の通電経路Ｌ１においては、一定電圧に対して電流がパルス波状に分割され、制御装置８とモータ４との間の通電経路Ｌ２では電圧がパルス波状に分割される。

　この発明の構成によると、制御装置８の位相ずらし手段１０ａが、モータ４へ電流を流すＰＷＭ信号をモータ毎に異なる位相とすることで、パルス波状の電流を同一時間で重なりが少なくなるように均すことができる。すなわち、位相ずらし手段１０ａは、一のモータ４へ電流を通電させる通電時間と、他のモータ４へ電流を通電させる通電時間とをずらし、これらモータ４へ流す電流を足し合わせた波形図において、電流値が大きくなることを抑制し得る。このように、電流の通電時間のいわゆるオーバーラップを回避することができる。これにより、駆動電源７と制御装置８との間の通電経路Ｌ１の損失を低減することができる。通電経路Ｌ１の損失は、例えば、通電時間に対しては単純な比例関係であり、電流値に対しては電流値の２乗に比例するからである。したがって、位相ずらし手段１０ａがモータ４へ電流を流す通電時間をずらすことにより、駆動電源７と制御装置８との間の損失を低減することができる。

　前記モータ４は、自動車に搭載されるモータ４であっても良い。この場合、自動車に搭載される駆動電源であるバッテリ７と制御装置８との間の損失を低減できる。このため、自動車の電費または燃費の向上を図り、航続距離を延ばすことが可能となる。

　前記モータ４は、電気自動車１の車輪を駆動するモータ４であっても良い。車輪を駆動するモータ４は、各電装機器のモータよりも出力が大きい。この場合、バッテリ７と制御装置８との間の損失を低減する影響が大きくなり、電気自動車１の電費の向上を図り、航続距離をより延ばすことが可能となる。

　前記位相ずらし手段１０ａは、ＰＷＭ信号の前記位相のずれ時間Δｔを、ＰＷＭ信号の１周期ｔｗを前記制御装置８で駆動する前記モータ４の数ｎで除した、Δｔ＝ｔｗ／ｎとするものであっても良い。このように位相のずれ時間Δｔを規定して、一のモータ４へ電流を通電させる通電時間と、他のモータ４へ電流を通電させる通電時間とをずらすことで、パルス波状の電流をできるだけ同一時間で重ならないように均すことができる。前記のような簡単な演算式で位相をずらすことができるため、演算処理負荷を低減することもできる。

　前記制御装置８は、単一の演算装置１０と、駆動する複数のモータ４それぞれに接続されるスイッチング素子１１ａとを有するものとしても良い。この場合、モータ駆動装置の全体構造を簡素化でき、製造コストの低減を図ることができる。

　前記制御装置８は複数の演算装置１０を有し、前記制御装置８は、前記複数の演算装置１０が正常時に、これら複数の演算装置１０によりそれぞれ互いに前記位相の異なるＰＷＭ信号で各モータ４を駆動させる正常時駆動制御手段２１と、前記複数の演算装置１０のうちいずれか一つの演算装置１０が異常時に、前記異常時の演算装置１０で駆動していたモータ４を、他の演算装置１０により駆動させる異常時駆動制御手段２２とを有するものとしても良い。一つの演算装置１０が異常と判定された場合であっても、異常と判定されていない他の正常な演算装置１０によりモータ４を駆動させることができる。この場合、例えば、制御装置８が単一の演算装置を有するものよりも制御系が複雑化するものの冗長性を持たせることができる。

　前記モータ４は、一部または全体が車輪内に配置されて前記モータ４と車輪用軸受と減速機５とを含むインホイールモータ部３を構成するものであっても良い。また、前記モータ４は、車両に搭載された電動ブレーキ装置のパッド駆動用モータであっても良い。

　請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。

　この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から、より明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の符号は、同一または相当する部分を示す。

この発明の第１の実施形態に係るモータ駆動装置を搭載した電気自動車における構成部品の配置構成を概略示す図である。同モータ駆動装置の回路の基本構成を概略示すブロック図である。同モータ駆動装置の回路構成例の概略を示す回路図である。同モータ駆動装置の制御系のブロック図である。（Ａ）は、駆動電源と制御装置との間の電圧および電流の波形図、（Ｂ）は、駆動電源とモータとの間の電圧および電流の波形図である。同モータ駆動装置におけるモータ駆動時のモータの駆動電流波形を示す波形図である。（Ａ）は、複数のモータへの通電時間をずらした波形図であり、（Ｂ）は、これら複数のモータへ流す電流を足し合わせた波形図である。この発明の他の実施形態に係るモータ駆動装置の回路構成例を概略示す図である。（Ａ）は、従来例に係り、複数のモータへの通電時間を同一にした波形図であり、（Ｂ）は、これら複数のモータへ流す電流を足し合わせた波形図である。

　この発明の第１の実施形態に係るモータ駆動装置を図１ないし図６と共に説明する。以下の説明は、モータ駆動装置の制御方法についての説明をも含む。

　図１は、この実施形態のモータ駆動装置を搭載した電気自動車における構成部品の配置構成を概略示す図である。同図１に示すように、この電気自動車１は、駆動輪となる左右の後輪２，２のそれぞれにインホイールモータ部３，３を配置し、これらのインホイールモータ部３，３で移動駆動される。なお電気自動車に代えて燃料電池車であっても良い。

　インホイールモータ部３，３は、例えば、モータ４と、このモータ４の回転を減速する減速機５と、図示外の車輪用軸受とを有し、一部または全体が車輪内に配置される。この実施形態に係るモータ駆動装置６は、複数（この例では２つ）のモータ４と、これらのモータ４を駆動する単一の駆動電源７と、前記複数のモータ４のモータコイルへの通電時間をＰＷＭ駆動方式で制御する制御装置８とを備えている。

　図２Ａは、このモータ駆動装置６の回路の基本構成を概略示すブロック図であり、図２Ｂは、同モータ駆動装置６の回路構成例の概略を示す回路図である。図２Ｂに示すように、モータ４は、例えばＵＶＷの３相のモータコイルを有するステータ４ａと、永久磁石で構成されるロータ４ｂとを有する同期モータである。モータ駆動装置６の制御装置８は、例えば、平滑回路９と、複数の演算装置１０，１０と、駆動する複数のモータ４，４それぞれに接続される複数のモータ駆動回路部１１とを有する。各モータ駆動回路部１１は、複数のスイッチング素子１１ａを含む。なお制御装置８の一部に、各スイッチング素子１１ａを冷却する図示外の冷却器を設けても良い。

　駆動電源７から供給される直流電力は、平滑回路９で平滑化されて、複数のモータ４に対応するスイッチング素子１１ａにそれぞれ入力される。モータ駆動装置６では、インホイールモータ部３，３の駆動の際に大電流を制御するため、いわゆる突入電流の影響低減等の目的で、入力段にコンデンサからなる平滑回路９が必要となる。インバータを含むモータ駆動回路部１１を構成する複数のスイッチング素子１１ａは、例えば、スイッチングトランジスタ等の複数のパワー駆動素子からなり、平滑回路９を経て入力される直流電力を、演算装置１０による前記駆動素子の断続制御で三相交流電力に変換してモータ４に供給する。なおこの例では、モータ毎に対応する演算装置１０，１０が設けられているが、この例に限定されるものではない。

　各演算装置１０では、各モータ４に設けられる位相検出器１２で検出される各ロータ４ｂの回転位相に基づき、前記モータ駆動回路部の駆動素子の断続制御のタイミングが決められる。また演算装置１０は、演算装置同士で通信する機能、および車両に配置されこの車両の各電装機器を統括して制御する上位制御手段であるＥＣＵ１３（図３）と通信する機能を有する。

　図３は、このモータ駆動装置の制御系のブロック図である。同図３に示すように、車体には、ＥＣＵ１３と、複数のインバータ装置１４を含む制御装置８と、駆動電源７であるバッテリと、モータ４とが搭載されている。ＥＣＵ１３は、自動車全般の統括制御を行い、各インバータ装置１４に指令を与える上位制御手段であり、相互にコントロール・エリア・ネットワーク（略称ＣＡＮ）等で接続されている。

　各インバータ装置１４は、ＥＣＵ１３の指令に従って各モータ４をそれぞれ制御する。ＥＣＵ１３は、コンピュータとこれに実行されるプログラム、並びに各種の電子回路等で構成される。ＥＣＵ１３と各インバータ装置１４の弱電系とは、互いに共通のコンピュータや共通の基板上の電子回路で構成されていても良い。

　ＥＣＵ１３のトルク配分手段（図示せず）は、アクセル（図示せず）からのアクセル開度の信号と、ブレーキ（図示せず）からの減速指令と、ハンドル（図示せず）からの旋回指令とから、左右の車輪駆動用のモータ４，４に与える加速・減速指令をトルク値として生成し、各インバータ装置１４へ出力する。バッテリ７は、モータ４の駆動、および車両全体の電気系統の電源として用いられる。

　このモータ駆動装置は、左右のモータ４，４を協調制御する左右輪協調駆動制御手段１５を有する。この例では、左右輪協調駆動制御手段１５は、ＥＣＵ１３に設けられる演算装置状態報告手段１６と、各インバータ装置１４にそれぞれ設けられる、異常確認報告手段１７と、駆動制御手段１８とを有する。各駆動制御手段１８は、異常判定手段１９と、制御方法切替手段２０と、正常時駆動制御手段２１と、異常時駆動制御手段２２と、演算装置１０とを有する。複数の演算装置１０のいずれもが正常時には、正常時駆動制御手段２１は、ＥＣＵ１３から与えられるトルク指令等による加速・減速指令に従い、電流指令に変換して前記演算装置１０に電流指令を与える。正常時駆動制御手段２１は、モータ４に流す電流値を得て、電流フィードバック制御を行う。また、正常時駆動制御手段２１は、モータ４のロータの回転角を角度センサ（図示せず）から得て、ベクトル制御を行う。

　異常判定手段１９は、電流検出センサ２３で計測したモータ駆動回路部１１から出力される電流を電流検出回路部２６より取得し、演算装置に異常が発生したか否かを判定する。この異常判定手段は、例えば、モータ印加電圧に対して、モータ駆動回路部１１から出力される３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）の出力電流の少なくともいずれか１つが定められた閾値範囲外にあるか否かを判定する。例えば、実験、シミュレーション等により、モータ印加電圧に対する出力電流の基準値を求めておき、この出力電流に例えば安全係数を見込んだ値を前記閾値とする。異常判定手段１９は、例えば、モータ駆動回路部１１から出力される３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）の出力電流の少なくともいずれかのうちの１つが定められた閾値範囲を外れたと判定したとき、前記演算装置１０を異常と判定し、３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）の出力電流の全てが閾値範囲内と判定したとき、前記演算装置１０を正常と判定する。

　異常判定手段１９により前記演算装置１０が正常と判定されたとき、制御方法切替手段２０により選択的に切り替えられて作動する正常時駆動制御手段２１により、前記演算装置１０を用いてモータ駆動回路部１１の各駆動素子を断続制御する。異常判定手段１９により前記演算装置１０が異常と判定されたとき、制御方法切替手段２０により選択的に切り替えられて作動する異常時駆動制御手段２２により、他の演算装置１０を用いて前記モータ駆動回路部１１の各駆動素子を断続制御する。

　異常確認報告手段１７は、異常判定手段１９により演算装置１０が異常と判定したときに、ＥＣＵ１３の演算装置状態報告手段１６に異常発生情報を出力する手段である。ＥＣＵ１３の演算装置状態報告手段１６は、異常確認報告手段１７から出力された異常発生情報を受けて、例えば、運転席の表示装置２４に異常を知らせる表示を行わせると同時に、正常な演算装置側のインバータ装置１４における異常確認報告手段１７に対し、もう一方の演算装置１０の異常を出力する。

　図２Ａに示す駆動電源７と制御装置８との間の通電経路Ｌ１においては、図４（Ａ）に示すように、一定電圧に対して電流がパルス波状に分割され、図２Ａに示す制御装置８とモータ４との間の通電経路Ｌ２では、図４（Ｂ）に示すように、電圧がパルス波状に分割される。

　図３に示すように、各演算装置１０は、駆動電源７と制御装置８との間の通電経路Ｌ１における電流の通電時間のいわゆるオーバーラップを回避するため、モータ４へ電流を流すＰＷＭ信号を、モータ毎に異なる位相とする位相ずらし手段１０ａを有する。この位相ずらし手段１０ａは、ＰＷＭ信号の位相のずれ時間Δｔを、この制御装置８で駆動するモータ４の数ｎ（この例ではｎ＝２）でＰＷＭ信号の１周期ｔｗを除した値、Δｔ＝ｔｗ／ｎとしている。位相ずらし手段１０ａは、例えば、一方のモータ用の駆動素子における、各位相検出器２５で検出される各オン動作の開始の時間、つまり立上がり時間を基準にして、他方のモータ用の駆動素子における、各オン動作の開始の時間をずれ時間Δｔずらす。

　図５は、このモータ駆動装置におけるモータ駆動時のモータ４の駆動電流波形を示す波形図である。前記各演算装置１０（図３）は、ＰＷＭ制御によりモータ駆動回路部の駆動素子をオンオフさせて正弦波状の電流を、モータのステータのコイルに流す。

　図６（Ａ）は、複数のモータへの通電時間ｔ１，ｔ２をずらした波形図であり、図６（Ｂ）は、これら複数のモータへ流す電流を足し合わせた波形図である。一方、図８（Ａ）は、従来例に係り、複数のモータへの通電時間ｔ１，ｔ２を同一にした波形図であり、図８（Ｂ）は、これら複数のモータへ流す電流を足し合わせた波形図である。駆動電源と制御装置との間の通電経路の損失は、例えば、通電時間に対しては単純な比例関係であり、電流値に対しては電流値の２乗に比例する。

　したがって、図６（Ａ），（Ｂ）に示すように、位相ずらし手段１０ａ（図３）がモータへ電流を流す通電時間をずらすことにより、パルス波状の電流を同一時間での重なりが少なくなるように均すことができる。位相ずらし手段１０ａは、一のモータ４へ電流を通電させる通電時間と、他のモータ４へ電流を通電させる通電時間とをずらし、これらモータ４へ流す電流を足し合わせた波形図において、電流値が大きくなることを抑制し得る。このように、電流の通電時間のいわゆるオーバーラップを回避することができる。これにより、駆動電源と制御装置との間の損失を低減し得る。例えば、通電時間５０％以下のＤＣモータの場合、駆動電源と制御装置との間の銅損は５０％となる。

　また、モータ４は、自動車に搭載されるモータ４であるため、自動車に搭載される駆動電源であるバッテリ７と制御装置８との間の損失を低減できる。このため、自動車の電費の向上を図り、航続距離を延ばすことが可能となる。

　図３に示す位相ずらし手段１０ａは、いずれか一方の演算装置１０の異常、正常にかかわらず、複数のモータ４への通電時間をずらす。いずれか一方の演算装置１０に異常が発生した場合であっても、他方の演算装置１０の位相ずらし手段１０ａにより、各モータ４へ電流を流す通電時間をずらす。なおこの実施形態では、各オン動作の開始の時間を基準にして複数のモータ４への通電時間をずらしているが、この例に限定されるものではない。例えば、各オン動作時間の中心を基準にして複数のモータ４への通電時間をずらしても良い。

　制御装置８は複数の演算装置１０を有し、制御装置８は、正常時駆動制御手段２１と、異常時制御手段２２とを有するため、一方の演算装置１０が異常と判定された場合であっても、他方の正常な演算装置１０によりモータ４を駆動させることができる。この場合、例えば、制御装置８が単一の演算装置を有するものよりも制御系が複雑化するものの冗長性を持たせることができる。

　図７は、他の実施形態に係るモータ駆動装置の回路構成例を概略示す図である。同図７に示すように、制御装置８Ａは、単一の演算装置１０と、駆動するモータ４それぞれに接続されるスイッチング素子１１ａとを有するものであっても良い。演算装置１０は、ＰＷＭ制御によりモータ駆動回路部の駆動素子をオンオフさせて正弦波状の電流を、各モータ４のステータ４ａのコイルに流す。この場合において、演算装置１０の位相ずらし手段１０ａは、各モータ４毎に、電流値の位相をずらして各々出力している。この場合、演算装置１０を共有化することができるため、第１の実施形態よりもモータ駆動装置の全体構造を簡素化でき、製造コストの低減を図ることができる。

　車両が、前左右車輪および後左右車輪のいずれか一方を前記インホイールモータ部で駆動し、他方を内燃機関で駆動するハイブリッド車であっても良い。

　各実施形態では、モータ駆動装置を車輪駆動用のモータに適用しているが、例えば、車両に搭載された電動ブレーキ装置のパッド駆動用モータや、電装機器駆動用のモータに適用しても良い。

　以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、当業者であれば、本件明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更および修正を容易に想定するであろう。したがって、そのような変更および修正は、請求の範囲から定まる発明の範囲内のものと解釈される。

１…電気自動車
２…後輪（駆動輪）
４…モータ
６…モータ駆動装置
７…駆動電源
８…制御装置
１０…演算装置
１０ａ…位相ずらし手段
１１…モータ駆動回路部
１１ａ…スイッチング素子
２１…正常時駆動制御手段
２２…異常時駆動制御手段

Claims

　複数のモータと、これらモータを駆動する単一の駆動電源と、前記複数のモータのモータコイルへの通電時間をＰＷＭ駆動方式で制御する制御装置とを備えたモータ駆動装置において、
　前記制御装置は、前記モータへ電流を流すＰＷＭ信号を、モータ毎に異なる位相とする位相ずらし手段を有することを特徴とするモータ駆動装置。
　請求項１記載のモータ駆動装置において、前記モータは、自動車に搭載されるモータであるモータ駆動装置。
　請求項２記載のモータ駆動装置において、前記モータは、電気自動車の車輪を駆動するモータであるモータ駆動装置。
　請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のモータ駆動装置において、前記位相ずらし手段は、ＰＷＭ信号の前記位相のずれ時間Δｔを、ＰＷＭ信号の１周期ｔｗを前記制御装置で駆動する前記モータの数ｎで除した、Δｔ＝ｔｗ／ｎとするモータ駆動装置。
　請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のモータ駆動装置において、前記制御装置は、単一の演算装置と、駆動する複数のモータそれぞれに接続されるスイッチング素子とを有するモータ駆動装置。
　請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のモータ駆動装置において、前記制御装置は複数の演算装置を有し、前記制御装置は、
　前記複数の演算装置が正常時に、これら複数の演算装置によりそれぞれ互いに前記位相の異なるＰＷＭ信号で各モータを駆動させる正常時駆動制御手段と、
　前記複数の演算装置のうちいずれか一つの演算装置が異常時に、前記異常時の演算装置で駆動していたモータを、他の演算装置により駆動させる異常時駆動制御手段と、
を有するモータ駆動装置。