WO2015199104A1 - モータ駆動装置 - Google Patents

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WO2015199104A1
WO2015199104A1 PCT/JP2015/068117 JP2015068117W WO2015199104A1 WO 2015199104 A1 WO2015199104 A1 WO 2015199104A1 JP 2015068117 W JP2015068117 W JP 2015068117W WO 2015199104 A1 WO2015199104 A1 WO 2015199104A1
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WO
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phase
motor
power
current
lost
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PCT/JP2015/068117
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English (en)
French (fr)
Inventor
勝洋 星野
慎吾 西口
利貞 三井
和人 大山
宮崎 英樹
Original Assignee
日立オートモティブシステムズ株式会社
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Publication date
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Priority to US15/321,931 priority patent/US10447183B2/en
Priority to JP2016529615A priority patent/JP6194113B2/ja
Priority to EP15812091.5A priority patent/EP3163743B1/en
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/10Arrangements for controlling torque ripple, e.g. providing reduced torque ripple
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/16Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the circuit arrangement or by the kind of wiring
    • H02P25/22Multiple windings; Windings for more than three phases

Definitions

  • the present invention relates to a motor drive device.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems in the prior art. Its main purpose is to suppress the pulsation of the drive torque generated by the motor when one of the phases is lost during the motor drive in the motor drive device that controls the drive of the independent winding type multi-phase motor. While continuing to drive the motor.
  • the motor driving device controls the driving of a multi-phase motor in which the electric windings of each phase are provided independently of each other, and the DC power supplied through the DC bus is supplied to the multi-phase motor.
  • An inverter circuit that converts the alternating current power into an electric winding of each phase, and a controller for controlling the inverter circuit, and the controller includes any phase in the alternating current power.
  • the phase difference between the currents flowing through the normal-phase electric element windings is adjusted so that the AC powers of the other normal phases excluding the phase that has lost phase cancel each other.
  • a motor driving device that controls driving of an independent winding type multi-phase motor, when any phase is lost during driving of the motor, pulsation of driving torque generated by the motor is suppressed. It is possible to continue driving the motor.
  • FIG. 1 It is a figure which shows the structure of the motor drive device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. It is a figure which shows the example of arrangement
  • FIG. 1 It is a figure which shows the example of a waveform of the induced voltage, electric current, and electric power of each phase in the motor at the normal time. It is a figure which shows the waveform example of the induced voltage of each phase in a motor, the electric current, and electric power in the case of not performing phase adjustment of an electric current when a W phase is missing. It is a figure which shows the waveform example of the induced voltage of each phase, the electric current, and electric power in a motor at the time of performing the phase adjustment of an electric current when a W phase has lost phase. It is a figure which shows the waveform of the U-phase electric current after phase adjustment and the V-phase electric current when a W phase is missing.
  • FIG. 11 is a diagram showing magnetomotive force vectors in the motor corresponding to the electrical angles A to G shown in FIG. 10.
  • a motor drive device it is a figure which shows a mode that the bridge circuit of W phase among inverter circuits failed. It is a figure which shows the DC voltage and the induced voltage of a W phase when the rotation speed of a motor is comparatively low. It is a figure which shows the DC voltage and W phase induced voltage when the rotation speed of a motor is more than a fixed value. It is a figure which shows the electric current path in the bridge circuit of the W phase at the time of an off failure.
  • a motor drive device it is a figure which shows an electric current path
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a motor drive device 200 according to the first embodiment of the present invention.
  • the motor driving device 200 is connected to a motor 100 used for a hybrid vehicle (HEV), an electric vehicle (EV), and the like, and controls driving of the motor 100.
  • the motor driving device 200 includes a DC power supply 201, a smoothing capacitor 202, a controller 203, and an inverter circuit 210.
  • the motor 100 is an independent winding type six-wire three-phase AC motor having three-phase electric element windings 102a, 102b, and 102c corresponding to the U phase, the V phase, and the W phase, respectively. These armature windings 102a to 102c are provided independently of each other.
  • the motor driving device 200 can drive the motor 100 by independently controlling the currents flowing through the armature windings 102a to 102c.
  • a magnetic pole position detector 110 that detects the magnetic pole position ⁇ of the motor 100 is attached to the output shaft 105 of the motor 100. The detection result of the magnetic pole position ⁇ by the magnetic pole position detector 110 is output to the controller 203.
  • DC power supply 201 supplies DC power to inverter circuit 210 via DC buses 201a and 201b.
  • a secondary battery such as a lithium ion battery can be used.
  • the smoothing capacitor 202 is for suppressing the fluctuation
  • the controller 203 outputs drive signals Gu, Gv, and Gw to the bridge circuits 210a, 210b, and 210c of each phase that the inverter circuit 210 has.
  • the controller 203 can control the inverter circuit 210 by operating the bridge circuits 210a, 210b, and 210c according to the drive signals Gu, Gv, and Gw, respectively.
  • the inverter circuit 210 has full-bridge bridge circuits 210a, 210b and 210c corresponding to the U phase, the V phase and the W phase, respectively.
  • Each bridge circuit 210 a, 210 b, 210 c has four IGBTs 221 that function as switching elements for the upper and lower arms, and four diodes 222 provided in parallel with each IGBT 221.
  • each IGBT 221 performs a switching operation according to the drive signals Gu, Gv, and Gw from the controller 203.
  • the DC power supplied from the DC power supply 201 is converted into three-phase AC power, and the electric windings of the respective phases of the motor 100 via the AC output lines 120 of the respective phases from the bridge circuits 210a, 210b, 210c. 102a, 102b, and 102c, respectively.
  • Each phase AC output line 120 is provided with a current sensor 130 for detecting each current flowing in the electric windings 102a, 102b, 102c of the motor 100.
  • the current values i u , i v , i w of each phase detected by the current sensor 130 are output to the controller 203.
  • the controller 203 performs a predetermined current control calculation based on the current values i u , i v , i w of each phase input from the current sensor 130 and the magnetic pole position ⁇ input from the magnetic pole position detector 110. And output drive signals Gu, Gv, Gw for each phase based on the calculation result.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an arrangement example of the armature windings 102 a, 102 b, 102 c in the motor 100.
  • the armature windings 102a, 102b, and 102c are mechanically shifted by 120 ° so that the phase difference of the waveform of the induced voltage of each phase becomes 120 ° in electrical angle. It is arranged on the stator.
  • the motor windings 102a, 102b, and 102c are provided independently of each other in the motor 100, and are different from the Y-connection and ⁇ -connection structures in the conventional general three-phase balanced motor. .
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the structure of the motor 100.
  • the motor 100 includes a stator core 101 to which a plurality of armature windings 102 are attached, and a rotor core 103 that is fixed to the output shaft 105 and has a plurality of permanent magnets 104 attached to the surface. It is a surface magnet type motor constituted.
  • Each of the armature windings 102 corresponds to one of the armature windings 102a, 102b, 102c in FIG.
  • FIG. 4 is a diagram showing how the flux linkage, the induced voltage, and the inductance change in the motor 100 having the structure shown in FIG.
  • the interlinkage magnetic flux of the U phase is ⁇ u
  • the induced voltage is e u
  • the self-inductance is L u
  • the mutual inductance between the U phase and the V phase is M uv
  • the self-inductance L u and the mutual inductance M uv are constant regardless of the electrical angle in the structure of FIG. The same applies to the V phase and the W phase.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating another example of the structure of the motor 100.
  • the motor 100 is fixed to the stator core 101 to which the plurality of armature windings 102 are attached and the output shaft 105 as in FIG. 3, and the plurality of permanent magnets 104 are embedded therein.
  • This is an embedded magnet type motor constituted by the rotor core 103.
  • FIG. 6 is a diagram showing how the flux linkage, induced voltage, and inductance change in the motor 100 having the structure shown in FIG.
  • the interlinkage magnetic flux of the U phase is ⁇ u
  • the induced voltage is e u
  • the self-inductance is L u
  • the mutual inductance between the U phase and the V phase is M uv .
  • the self-inductance L u and the mutual inductance M uv change periodically with the electrical angle of 360 ° as two cycles (that is, the electrical angle of 180 ° as one cycle) in the structure of FIG. The same applies to the V phase and the W phase.
  • the voltage equation of the motor 100 using the permanent magnet as shown in FIG. 3 or FIG. 5 is expressed by the following equation (1).
  • v u , v v , v w and i u , i v , i w represent the voltage and current of the U phase, V phase, and W phase, respectively, and R is for one phase.
  • P represents a differential operator.
  • induced voltages e u , e v , e w of each phase, self-inductances L u , L v , L w of each phase, and mutual inductances M uv , M vw , M wu between the phases are Are represented by the following formulas (2), (3), and (4), respectively.
  • ⁇ e represents the electrical angular rotation speed of the motor 100
  • ⁇ m represents the winding flux linkage of the permanent magnet 104.
  • l a denotes the leakage inductance of one phase of the formula (3)
  • L a, L as the mean value and amplitude components of the effective inductance of one phase Represents each.
  • a shaft torque T output from the motor 100 to the output shaft 105 is expressed by the following equation (5).
  • P OUT represents mechanical energy (shaft output) output from the motor 100 to the output shaft 105
  • ⁇ m represents the rotational angular velocity (shaft rotational speed) of the output shaft 105. That is, the shaft torque T is a value obtained by dividing the shaft output P OUT by the shaft rotation speed ⁇ m . Therefore, if the shaft rotational speed ⁇ m and the motor shaft output P OUT are constant values, the shaft torque T is also constant.
  • the shaft output P OUT represented by Expression (6) is equal to a value obtained by subtracting each loss such as copper loss and iron loss from the input power PIN of the motor 100.
  • the input power PIN of the motor 100 is obtained by adding the products of the instantaneous voltages v u , v v , v w of each phase and the instantaneous currents i u , i v , i w as shown in the following formula (7). It is obtained as a value.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating waveform examples of induced voltage, current, and power of each phase in the motor 100 at the normal time.
  • the phase differences between the induced voltages e u , e v , and e w of the respective phases generated in the electric coil windings 102a, 102b, and 102c are all 120 °.
  • the motor driving device 200 is configured so that the currents i u , i v , i w of the respective phases flowing through the electric windings 102a, 102b, 102c have a phase difference of 120 ° from each other, as shown in FIG.
  • the operation timing of the IGBT 221 in each bridge circuit 210a, 210b, 210c is determined.
  • the powers P u , P v , and P w of each phase obtained by the product of the induced voltage and current pulsate at a frequency twice that of the induced voltage and current as shown in FIG. Is 60 °.
  • the input power PIN that is the sum of the three-phase powers P u , P v , and P w is constant as shown in FIG. Therefore, it can be seen that if the induced voltage and the current are sinusoidal waves, no torque pulsation is generated in principle.
  • the induced voltage waveform and current waveform are assumed to be ideal sine waves. However, in actuality, the induced voltage waveform and current waveform include some harmonics, which is ideal. It will not be a sine wave. However, even in this case, the motor drive device 200 can operate the motor 100 with almost no problem by controlling the motor 100 by treating the induced voltage waveform or current waveform as a sine wave.
  • the motor driving device 200 can drive all the phases of the motor 100 to rotate the motor 100 by controlling the torque of the motor 100.
  • an abnormality occurs in the operation of the IGBT 221 in any of the bridge circuits 210a, 210b, 210c, or an abnormality such as a disconnection occurs in the AC output line 120 or the wiring in the motor 100 in any phase. If any phase is lost and energization is impossible, the torque of the motor 100 cannot be appropriately controlled by the same control method as in the normal state.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of waveforms of induced voltage, current, and power in each phase in the motor 100 when the phase of the current is not adjusted when the W phase is lost.
  • the phase difference of the currents i u and the V-phase current i v of U-phase remains normal as well as 120 °.
  • the pulsation occurs at a frequency twice the induced voltage.
  • the controller 203 controls each of the other normal phases excluding the lost phase.
  • the phase difference between the currents flowing through the normal-phase electric windings is adjusted so that the AC powers cancel each other. Thereby, the pulsation of the output torque in the motor 100 is reduced, and the rotation of the motor 100 can be continued.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example of waveforms of induced voltage, current, and power in each phase in the motor 100 when the phase of the current is adjusted when the W phase is lost. If the W-phase is open phase, the motor drive device 200 as shown in FIG. 9, by shifting the phase of the current i v of the V-phase in a direction to 60 ° reduced from normal (left direction in the figure), and this Adjustment is performed so that the phase difference from the U phase current i u is 60 °.
  • the current control operation by the control unit 203 performs, to adjust the phase of the V-phase current i v, to be output, in accordance with the the adjusted phase, the bridge circuit 210b of the V-phase from the controller 203
  • the drive signal Gv is output.
  • the valley portions of the U-phase power P peak portions u and the V-phase power P v, and U-phase power P u valleys and V-phase peak portions of the power P v of overlap respectively So that they cancel each other.
  • the input power PIN that is the sum of the three-phase powers P u , P v , and P w can be made constant as shown in FIG. Therefore, the rotation of the motor 100 can be continued while suppressing torque pulsation.
  • the motor driving device can provide each AC power in the normal phase when any phase is lost.
  • Dp 360/2 (nm) (8)
  • n and m are positive integers
  • the phase difference Di (°) of each current flowing through the normal-phase electric element winding may be adjusted so as to satisfy the following equation (9).
  • Di 360 / (nm) -360 / n (9)
  • the motor drive device has an inverter circuit having n bridge circuits according to the number n of phases of the motor to be controlled, and each bridge circuit of the inverter circuit. And a controller for outputting a drive signal.
  • a motor driven by this motor driving device needs to have n independent windings that can be controlled independently of each other, and the current flowing through each independent winding is controlled by the motor driving device.
  • an abnormal operation occurs in the IGBT 221 or the diode 222 in the W-phase bridge circuit 210c, or the wiring in the motor 100 or the AC output line 120 is disconnected, thereby causing a W-phase armature.
  • the motor drive device 200 can perform current control using the remaining normal two-phase electric element windings 102a and 102b.
  • the motor 100 is driven by outputting the current of each phase with a phase difference of 120 degrees, as in the state in which the normal three phases are balanced even when the phase is lost, as described in FIG.
  • a large pulsation occurs in the input power PIN that is a sum of the U-phase instantaneous power Pu and the V-phase instantaneous power Pv .
  • a large torque pulsation occurs in the motor 100.
  • the motor driving device 200 can control the current flowing through the electric windings 102a, 102b, and 102c of each phase of the motor 100 independently of each other.
  • the phases of P u and P v are adjusted so that these peaks and valleys cancel each other.
  • the motor driving apparatus 200 obtains the phase of the induced voltage of each phase based on the magnetic pole position information output from the magnetic pole position detector 110 attached to the output shaft 105 of the motor 100 in the controller 203, and A current control calculation for individually controlling the current phase of each phase is performed on the voltage.
  • the phase difference between the instantaneous powers Pu and Pv is adjusted, and the torque pulsation of the motor 100 is reduced.
  • the current control calculation includes the information on the current value output from the current sensor 130 of each phase attached between the motor driving device 200 and the motor 100, and the magnetic pole position detector attached to the output shaft 105 of the motor 100. 110 is performed using the magnetic pole position information output from 110.
  • the controller 203 outputs drive signals Gu, Gv, and Gw to the IGBTs 221 included in the bridge circuits 210a, 210b, and 210c of the inverter circuit 210 according to the result of the current control calculation.
  • the bridge circuit 210a, 210b, 210c of each phase performs a switching operation according to the drive signals Gu, Gv, Gw, so that the current phase with respect to the induced voltage of each phase can be individually adjusted.
  • FIG. 10 is a diagram showing a waveform of a U-phase current i u and the V-phase current i v, after the phase adjustment when the W-phase is open-phase.
  • FIG. 11 is a diagram showing magnetomotive force vectors in the motor 100 corresponding to the electrical angles A to G shown in FIG.
  • the resultant magnetomotive force F uv generated in the motor 100 at this time is a vector sum of the U-phase magnetomotive force F u and the V-phase magnetomotive force F v as shown in FIG. 11B.
  • the magnetomotive force in the motor 100 changes from A to B of FIG. 11. Comparing A and B in FIG. 11, the size of the U Aioko force F u and V Aioko force F v is changing respectively, for these synthetic magnetomotive force F uv, counterclockwise the same size It turns out that it rotates 30 degrees around.
  • FIG. 11 illustration of the magnetomotive force vector generated for each electrical angle in the range of 210 ° to 360 ° shown in H to M of FIG. 10 is omitted.
  • the value of the U-phase current i u and the V-phase current i v, in these electrical angle is the same as that obtained by inverting the sign of the value of each electrical angle shown respectively in B ⁇ G in FIG. 10. Therefore, similarly to the above, it can be seen that the combined magnetomotive force F uv of the U phase and the V phase at these electrical angles also rotates counterclockwise with the same magnitude.
  • FIG. 11 a two-pole motor having an electrical angle and a mechanical angle that coincide with each other has been described as an example. Similarly, a multi-pole motor having a different electrical angle and a mechanical angle also has an armature as the current value changes. A rotating magnetic field can be generated in the winding.
  • the motor drive device 200 is missing any phase due to an abnormal operation in one of the bridge circuits 210a, 210b, 210c of the inverter circuit 210, or a break in the wiring in the motor 100 or the AC output line 120. If they are in phase, current phase adjustment is performed using the remaining two normal phases, and the motor 100 is driven. As a result, the motor 100 can be driven without generating a large torque pulsation by generating a rotating magnetic field that smoothly rotates in the motor 100.
  • the motor driving device 200 controls the driving of the motor 100 in which the electric windings 102a, 102b, 102c of each phase are provided independently of each other, and is supplied via the DC buses 201a, 201b.
  • the inverter circuit 210 converts the direct current power into three-phase alternating current power and outputs the converted power to the electric windings 102a, 102b, and 102c of each phase, and the controller 203 for controlling the inverter circuit 210.
  • the controller 203 cancels each other AC power in the normal phase other than the phase that has lost phase.
  • the phase difference of each current flowing through the normal-phase electric element winding is adjusted. Since it did in this way, when the phase of one of the phases is lost during the driving of the motor 100, the driving of the motor 100 can be continued while suppressing the pulsation of the driving torque generated by the motor 100.
  • the controller 203 sets the number of phases of the motor 100 as n and the number of phases as m as m.
  • the phase difference of each current flowing through the normal-phase electric coil winding is adjusted so that the normal-phase AC powers cancel each other out when the power phase difference Dp (°) satisfies the above-described equation (8).
  • various multi-phase motors of independent winding type other than the three-phase motors can suppress the pulsation of the drive torque when the phase is lost, and drive the motor. Can continue.
  • the controller 203 adjusts the phase difference Di (°) of each current flowing through the normal-phase electric element winding so as to satisfy the above-described equation (9). Since it did in this way, regardless of the number of phases of a motor, the phase difference of each current which flows into a normal phase electric child winding can be adjusted appropriately, and each AC power of a normal phase can be canceled certainly.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a state in which the W-phase bridge circuit 210c in the inverter circuit 210 has an off-failure in the motor driving device 200.
  • FIG. 12 For example, as shown in FIG. 12, consider a case in which a failure occurs in the W-phase bridge circuit 210c, in which one of the IGBTs 221 always remains off and does not change. In this case, the bridge circuit 210c performs the same operation as the full-wave rectifier circuit.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating a current path in the W-phase bridge circuit 210c at the time of off-failure.
  • the motor driving device 200 passes through each diode 222 included in the W-phase bridge circuit 210 c from the motor 100 due to an induced voltage generated in the W-phase armature winding 102 c in the motor 100. Current flows through This current causes brake torque and torque pulsation in the motor 100. Therefore, it is necessary to disconnect the faulty W-phase bridge circuit 210c from the motor 100 to prevent a current as shown in FIG.
  • FIG. 16 is a diagram showing a current path when the W-phase bridge circuit 210c in the inverter circuit 210 is turned on in the motor drive device 200.
  • FIG. 16 For example, as shown in FIG. 16, a case where a failure occurs in the W-phase bridge circuit 210c in which one of the IGBTs 221 is always in an on state and does not change is considered. In this case, since the IGBT 221 is short-circuited, an induced voltage generated in the W-phase armature winding 102c in the motor 100 causes a current to circulate in the W-phase bridge circuit 210c as shown in FIG. This current also causes brake torque and torque pulsation in the motor 100 as in FIG. Therefore, it is necessary to disconnect the faulty W-phase bridge circuit 210c from the motor 100 to prevent a current as shown in FIG.
  • FIG. 17 is a diagram showing an example in which a power cutoff switch 213 is provided in each phase of the bridge circuits 210a, 210b, and 210c.
  • the motor driving device 200 displays the controller 203 in FIG.
  • the four switches 213 connected to the bridge circuit corresponding to the missing phase among the bridge circuits 210a, 210b, and 210c of each phase are opened.
  • the bridge circuit corresponding to the phase that has lost phase in the inverter circuit 210 is disconnected from the DC buses 201a and 201b, and the AC power from the bridge circuit to the motor 100 is cut off. As a result, it is possible to prevent the drive of the motor 100 from being adversely affected by the current flowing through the circuit of the open phase portion.
  • FIG. 18 is a diagram showing an example in which a power cutoff switch 214 is provided in each phase of the AC output line 120.
  • the motor driving device 200 displays the controller 203 in FIG.
  • the switch 214 provided in the middle of the AC output line corresponding to the phase out of phase of the AC output line 120 of each phase is opened.
  • the armature windings corresponding to the phase that has lost phase among the armature windings 102a, 102b, and 102c of each phase are disconnected from the inverter circuit 210, and the AC power from the inverter circuit 210 to the armature winding is reduced. Cut off. As a result, it is possible to prevent a current from flowing through the circuit of the phase loss portion, and to avoid an adverse effect on the driving of the motor 100.
  • the motor driving device 200 includes the switch 213 for disconnecting the phase corresponding to the phase that has lost phase in the inverter circuit 210 from the DC buses 201a and 201b, or each phase.
  • the switch 214 further includes a switch 214 for disconnecting, from the inverter circuit, the armature winding corresponding to the phase that is out of phase among the armature windings 102a, 102b, and 102c. Since it did in this way, when the phase loss generate
  • the independent winding type three-phase motor 100 capable of independently controlling the currents flowing through the respective phase element windings 102a, 102b, 102c has been described as an example.
  • the present invention can also be applied to multi-phase motors other than three-phase motors. That is, if the present invention is applied to a motor driving device that controls the driving of an independent winding type multi-phase motor capable of independently controlling the currents flowing through the electric windings of each phase, The phase difference between the currents flowing in the normal-phase electric windings is adjusted so that the normal-phase AC powers cancel each other when any phase is lost in the AC power output to Can do.

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Abstract

 モータの駆動中にいずれかの相が欠相となった場合に、モータが発生する駆動トルクの脈動を抑えつつモータの駆動を継続する。 モータ駆動装置200は、各相の電気子巻線102a、102b、102cが互いに独立して設けられたモータ100の駆動を制御する。モータ駆動装置200は、直流母線201a、201bを介して供給される直流電力を三相の交流電力に変換して各相の電気子巻線102a、102b、102cにそれぞれ出力するインバータ回路210と、インバータ回路210を制御するための制御器203とを備える。制御器203は、インバータ回路210が出力する交流電力においていずれかの相が欠相した場合に、欠相した相を除いた他の正常相の各交流電力が互いに相殺されるように、正常相の電気子巻線に流れる各電流の位相差を調整する。

Description

モータ駆動装置
 本発明は、モータ駆動装置に関する。
 従来、モータ固定子に設けられた各相の電気子巻線の電流を互いに独立して制御可能な独立巻線型多相モータ(たとえば六線三相式モータ)の駆動制御を行う装置が知られている。このようなモータを用いることで、昇圧回路を使用することなく電圧不足を解消して、モータの高出力化を図ることができる。また、大容量化や最高回転数の引き上げも可能である。
 上記のような独立巻線型多相モータにおいて、各相の巻線に高調波成分を重畳した疑似矩形波電流が流れるようにすることで、いずれかの相の巻線で電流や電圧が異常となった場合にも、モータの駆動を継続できるようにした技術が提案されている(特許文献1)。
特開2006-149146号公報
 特許文献1に記載の技術では、いずれかの相の巻線に異常が生じた場合に、モータの駆動は継続できるかもしれないが、モータが発生する駆動トルクの脈動を抑制することはできない。
 本発明は、上記のような従来技術における課題を解決するためになされたものである。その主な目的は、独立巻線型多相モータの駆動を制御するモータ駆動装置において、モータの駆動中にいずれかの相が欠相となった場合に、モータが発生する駆動トルクの脈動を抑えつつモータの駆動を継続することにある。
 本発明によるモータ駆動装置は、各相の電気子巻線が互いに独立して設けられた多相モータの駆動を制御するものであって、直流母線を介して供給される直流電力を多相の交流電力に変換して前記各相の電気子巻線にそれぞれ出力するインバータ回路と、前記インバータ回路を制御するための制御器と、を備え、前記制御器は、前記交流電力においていずれかの相が欠相した場合に、前記欠相した相を除いた他の正常相の各交流電力が互いに相殺されるように、前記正常相の電気子巻線に流れる各電流の位相差を調整する。
 本発明によれば、独立巻線型多相モータの駆動を制御するモータ駆動装置において、モータの駆動中にいずれかの相が欠相となった場合に、モータが発生する駆動トルクの脈動を抑えつつモータの駆動を継続することができる。
本発明の第1の実施形態に係るモータ駆動装置の構成を示す図である。 モータにおける電気子巻線の配置例を示す図である。 モータの構造の一例を示す図である。 図3に示した構造のモータにおける鎖交磁束、誘起電圧およびインダクタンスの変化の様子を示す図である。 モータの構造の他の一例を示す図である。 図5に示した構造のモータにおける鎖交磁束、誘起電圧およびインダクタンスの変化の様子を示す図である。 通常時のモータにおける各相の誘起電圧、電流および電力の波形例を示す図である。 W相が欠相したときに電流の位相調整を行わない場合のモータにおける各相の誘起電圧、電流および電力の波形例を示す図である。 W相が欠相したときに電流の位相調整を行った場合のモータにおける各相の誘起電圧、電流および電力の波形例を示す図である。 W相が欠相した場合の位相調整後のU相電流とV相電流の波形を示す図である。 図10に示したA~Gの各電気角に対応するモータ内の起磁力ベクトルを示す図である。 モータ駆動装置において、インバータ回路のうちW相のブリッジ回路がオフ故障した様子を示す図である。 モータの回転数が比較的低いときの直流電圧とW相の誘起電圧を示す図である。 モータの回転数が一定の値以上であるときの直流電圧とW相の誘起電圧を示す図である。 オフ故障時のW相のブリッジ回路における電流経路を示す図である。 モータ駆動装置において、インバータ回路のうちW相のブリッジ回路がオン故障したときの電流経路を示す図である。 電力遮断用のスイッチを各相のブリッジ回路にそれぞれ設けた例を示す図である。 電力遮断用のスイッチを各相の交流出力線にそれぞれ設けた例を示す図である。
(第1の実施形態)
 図1は、本発明の第1の実施形態に係るモータ駆動装置200の構成を示す図である。モータ駆動装置200は、ハイブリッド自動車(HEV)や電気自動車(EV)などに利用されるモータ100と接続されており、モータ100の駆動を制御する。モータ駆動装置200は、直流電源201、平滑コンデンサ202、制御器203およびインバータ回路210を有する。
 モータ100は、U相、V相、W相にそれぞれ対応する三相の電気子巻線102a、102b、102cを有する独立巻線型の六線三相式交流モータである。これらの電気子巻線102a~102cは、互いに独立して設けられている。モータ駆動装置200は、電気子巻線102a~102cに流れる電流をそれぞれ独立に制御することで、モータ100を駆動させることができる。モータ100の出力軸105には、モータ100の磁極位置θを検出する磁極位置検出器110が取り付けられている。磁極位置検出器110による磁極位置θの検出結果は、制御器203に出力される。
 直流電源201は、直流母線201a、201bを介してインバータ回路210に直流電力を供給する。直流電源201には、たとえばリチウムイオン電池等の二次電池などを利用することができる。
 平滑コンデンサ202は、インバータ回路210の動作に伴って生じる直流電圧の変動を抑制するためのものであり、直流母線201aと直流母線201bの間に、インバータ回路210と並列に接続されている。
 制御器203は、インバータ回路210が有する各相のブリッジ回路210a、210b、210cに対して、ドライブ信号Gu、Gv、Gwをそれぞれ出力する。このドライブ信号Gu、Gv、Gwに応じてブリッジ回路210a、210b、210cをそれぞれ動作させることで、制御器203はインバータ回路210を制御することができる。
 インバータ回路210は、U相、V相、W相にそれぞれ対応するフルブリッジ型のブリッジ回路210a、210bおよび210cを有している。各ブリッジ回路210a、210b、210cは、上下各アームのスイッチング素子として機能する4つのIGBT221と、各IGBT221と並列に設けられた4つのダイオード222とを有している。ブリッジ回路210a、210b、210cにおいて、各IGBT221は、制御器203からのドライブ信号Gu、Gv、Gwに応じてスイッチング動作を行う。これにより、直流電源201から供給された直流電力が三相交流電力に変換され、ブリッジ回路210a、210b、210cから各相の交流出力線120を介して、モータ100の各相の電気子巻線102a、102b、102cにそれぞれ出力される。
 各相の交流出力線120には、モータ100の電気子巻線102a、102b、102cに流れる各電流を検出するための電流センサ130がそれぞれ設けられている。電流センサ130により検出された各相の電流値i、i、iは、制御器203に出力される。制御器203は、電流センサ130から入力される各相の電流値i、i、iと、磁極位置検出器110から入力される磁極位置θとに基づいて、所定の電流制御演算を行い、その演算結果に基づいて、各相のドライブ信号Gu、Gv、Gwを出力する。
 図2は、モータ100における電気子巻線102a、102b、102cの配置例を示す図である。図2に示すように、電気子巻線102a、102b、102cは、各相の誘起電圧の波形の位相差が電気角で120°となるように、120°ずつ機械的にずらしてモータ100のステータに配置されている。なお、前述のようにモータ100において電気子巻線102a、102b、102cは互いに独立して設けられており、従来の一般的な三相平衡型のモータにおけるY結線やΔ結線の構造とは異なる。
 図3は、モータ100の構造の一例を示す図である。図3に示すように、たとえばモータ100は、複数の電機子巻線102が取り付けられたステータコア101と、出力軸105に固定され、表面に複数の永久磁石104が貼り付けられたロータコア103とによって構成される表面磁石型モータである。なお、各電気子巻線102は、図2の電気子巻線102a、102b、102cのいずれかに対応するものである。
 図4は、図3に示した構造のモータ100における鎖交磁束、誘起電圧およびインダクタンスの変化の様子を示す図である。U相の鎖交磁束をψ、誘起電圧をe、自己インダクタンスをLとし、U相とV相の間の相互インダクタンスをMuvとすると、これらはモータ100の電気角に応じて、たとえば図4のように変化する。すなわち、鎖交磁束ψおよび誘起電圧eについては、電気角360°を一周期として周期的に変化する。一方、自己インダクタンスLおよび相互インダクタンスMuvについては、図3の構造では、電気角に関わらず一定となる。なお、V相、W相についても同様である。
 図5は、モータ100の構造の他の一例を示す図である。図5に示すように、たとえばモータ100は、図3と同様に複数の電機子巻線102が取り付けられたステータコア101と、出力軸105に固定され、複数の永久磁石104が内部に埋め込まれたロータコア103とによって構成される埋め込み磁石型モータである。
 図6は、図5に示した構造のモータ100における鎖交磁束、誘起電圧およびインダクタンスの変化の様子を示す図である。U相の鎖交磁束をψ、誘起電圧をe、自己インダクタンスをLとし、U相とV相の間の相互インダクタンスをMuvとすると、これらはモータ100の電気角に応じて、たとえば図6のように変化する。すなわち、鎖交磁束ψおよび誘起電圧eについては、電気角360°を一周期として周期的に変化する。一方、自己インダクタンスLおよび相互インダクタンスMuvについては、図5の構造では、電気角360°を二周期(すなわち電気角180°を一周期)として周期的に変化する。なお、V相、W相についても同様である。
 図3や図5に示したような永久磁石を用いたモータ100の電圧方程式は、以下の式(1)で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 上記の式(1)において、v、v、vおよびi、i、iは、U相、V相、W相の電圧と電流をそれぞれ表しており、Rは一相分の巻線抵抗を、Pは微分演算子をそれぞれ表している。また、式(1)において、各相の誘起電圧e、e、e、各相の自己インダクタンスL、L、L、各相間の相互インダクタンスMuv、Mvw、Mwuは、以下の式(2)、(3)、(4)でそれぞれ表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 式(2)において、ωはモータ100の電気角回転速度を表し、ψは永久磁石104の巻線鎖交磁束を表している。また、式(3)において、lは一相分の漏れインダクタンスを表し、式(3)、(4)において、L、Lasは一相分の有効インダクタンスの平均値成分と振幅成分をそれぞれ表している。
 なお、図3に示したような表面磁石型モータの場合、式(3)、(4)においてLas=0となる。一方、図5に示した埋め込み磁石型モータの場合、式(3)、(4)においてLas≠0となる。
 モータ100が出力軸105に対して出力する軸トルクTは、以下の式(5)で表される。式(5)において、POUTはモータ100が出力軸105に出力する機械エネルギー(軸出力)を表し、ωは出力軸105の回転角速度(軸回転速度)を表している。すなわち軸トルクTは、軸出力POUTを軸回転速度ωで割った値である。そのため、軸回転速度ωとモータ軸出力POUTが一定値であれば、軸トルクTも一定になる。なお、式(5)では計算の簡略化のために、モータ100の極対数を1とし、ω=ωとして計算しているが、実際にはモータ100の極対数をPとすると、ω=ω/Pの関係が成り立つ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 上記の式(5)におけるモータ100の軸出力POUTは、以下の式(6)で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 なお、式(6)で表される軸出力POUTは、モータ100の入力電力PINから銅損や鉄損などの各損失を差し引いた値に等しい。モータ100の入力電力PINは、以下の式(7)に示すように、各相の瞬時電圧v、v、vと瞬時電流i、i、iの積をそれぞれ足し合わせた値として求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 表面磁石型モータや突極比の比較的小さな埋め込み磁石型モータでは、式(6)に示すように、入力電力PINのうち、各相の誘起電圧e、e、eと瞬時電流i、iv、の積で決まる電力P、P、Pが主に軸出力POUTに変換される。
 式(5)から判るように、モータ100が一定の軸回転速度ωで回転しているときに軸出力POUTが一定値であれば、軸トルクTが一定になる。式(6)から判るように、モータ100の軸出力POUTを一定にするためには、先に述べたように、入力電力PINのうち各相の誘起電圧e、e、eと瞬時電流i、i、iの積で決まる電力P、P、Pの和が一定である必要がある。
 図7は、通常時のモータ100における各相の誘起電圧、電流および電力の波形例を示す図である。前述のように、電気子巻線102a、102b、102cにそれぞれ生じる各相の誘起電圧e、e、eの位相差は、いずれも120°である。通常時には、モータ駆動装置200は図7に示すように、電気子巻線102a、102b、102cにそれぞれ流れる各相の電流i、i、iが互いに120°の位相差となるように、各ブリッジ回路210a、210b、210cにおけるIGBT221の動作タイミングを決定する。その結果、誘起電圧と電流の積で求められる各相の電力P、P、Pは、図7に示すように、誘起電圧および電流の2倍の周波数で脈動し、互いの位相差は60°となる。一方、三相の電力P、P、Pを合計した入力電力PINは、図7に示すように一定となる。したがって、誘起電圧と電流が正弦波であれば、原理的にトルク脈動が発生しないことが分かる。
 なお、上記の説明では、誘起電圧波形や電流波形が理想的な正弦波と仮定しているが、実際には、誘起電圧波形や電流波形には多少の高調波が含まれており、理想的な正弦波とはならない。しかしこの場合でも、モータ駆動装置200は、誘起電圧波形や電流波形を正弦波として扱ってモータ100を制御することで、モータ100を概ね問題無く動作させることが可能である。
 以上説明したように、各相の電気子巻線102a、102b、102cに流れる電流をそれぞれ独立に制御可能な独立巻線型のモータ100においても、三相の電流が平衡している状態を作ることで、一定のトルクを発生させながらモータ100を回すことが可能である。この原理は、三相以外の独立巻線型の多相モータについても成り立つ。すなわち、モータの相数をnとすると、各相の電流の位相を360/n°ずつずらすことで、各相の電流を平衡させ、一定のトルクでモータを回転させることができる。
 通常時にモータ駆動装置200は、モータ100の全ての相を通電することで、モータ100のトルクを制御してモータ100を回転駆動させることができる。しかし、たとえばブリッジ回路210a、210b、210cのいずれかにおいてIGBT221の動作に異常が生じたり、いずれかの相で交流出力線120やモータ100内の配線に断線等の異常が生じたりすることで、いずれかの相が欠相して通電不可能となった場合は、通常時と同じ制御方法ではモータ100のトルクを適切に制御することができない。すなわち、インバータ回路210からモータ100の電気子巻線102a、102b、102cにそれぞれ出力される交流電力においていずれかの相が欠相した場合に、通常時と同様に各相の電流i、i、iの位相を120°ずつずらして電流制御を行うと、モータ100において大きなトルク脈動が発生してしまう。
 上記の欠相時のトルク脈動の例について、図8を参照して具体的に説明する。図8は、W相が欠相したときに電流の位相調整を行わない場合のモータ100における各相の誘起電圧、電流および電力の波形例を示す図である。この場合、図8に示すように、U相の電流iとV相の電流iの位相差は、通常時と同様に120°のままである。しかし、W相は欠相しているため、W相の電流iおよび電力Pは0となる。そのため、三相の電力P、P、P(ただしP=0)を合計した入力電力PINは、図8に示すように一定とはならず、U相電力PやV相電力Pの脈動に合わせて、誘起電圧の2倍の周波数で脈動してしまうことになる。
 以上説明したように、いずれかの相が欠相して通電不可能となった場合は、通常時と同じ制御方法を用いてモータ制御を行うと、モータの出力トルクに大きな脈動が生じてしまう。そのため、従来のモータ駆動装置では、モータに出力する交流電力においていずれかの相が欠相した場合には、モータの回転を停止させる必要があった。
 一方、本発明に係るモータ駆動装置200では、モータ100に出力する交流電力においていずれかの相が欠相した場合には、制御器203により、欠相した相を除いた他の正常相の各交流電力が互いに相殺されるように、正常相の電気子巻線に流れる電流の位相差を調整する。これにより、モータ100における出力トルクの脈動を低減させ、モータ100の回転を継続できるようにする。
 図9は、W相が欠相したときに電流の位相調整を行った場合のモータ100における各相の誘起電圧、電流および電力の波形例を示す図である。W相が欠相した場合、モータ駆動装置200は図9に示すように、V相の電流iの位相を通常時から60°低減させる方向(図の左側方向)にずらすことで、これとU相の電流iとの位相差が60°となるように調整する。具体的には、制御器203が行う電流制御演算において、出力しようとするV相電流iの位相を調整し、この調整後の位相に合わせて、制御器203からV相のブリッジ回路210bに対してドライブ信号Gvを出力する。これにより、図9に示すように、U相電力Pの山部分とV相電力Pの谷部分、およびU相電力Pの谷部分とV相電力Pの山部分がそれぞれ重なるようにして、これらが互いに相殺されるようにする。その結果、W相の欠相時においても、三相の電力P、P、Pを合計した入力電力PINを図9に示すように一定とすることができる。そのため、トルク脈動を抑えつつ、モータ100の回転を継続させることができる。
 なお、以上説明したような欠相時の電流位相調整によるトルク脈動の低減は、三相以外の独立巻線型の多相モータについても適用可能である。すなわち、制御対象とするモータの相数をnとし、欠相した相数をmとすると、本発明に係るモータ駆動装置は、いずれかの相が欠相した場合に、正常相の各交流電力の位相差Dp(°)が以下の式(8)を満たすように正常相の各電流を調整することで、正常相の各交流電力が互いに相殺されるようにすることができる。その結果、モータの出力トルクの脈動を抑えて、モータの回転を継続させることができる。
 Dp=360/2(n-m) ・・・(8)
 ただし、n、mは正の整数であり、n≧m+2
 上記の式(8)を満たすためには、正常相の電気子巻線に流れる各電流の位相差Di(°)が以下の式(9)を満たすように調整すればよい。これにより、いずれかの相において欠相が生じたときに、正常相の各交流電力を互いに相殺し、モータの出力トルクの脈動を抑えることができる。
 Di=360/(n-m)-360/n ・・・(9)
 なお、上記の式(8)、(9)においてn=3、m=1とすると、Dp=90°、Di=60°となり、図9に示したU相電力PとV相電力Pの関係、およびU相電流iとV相電流iの関係にそれぞれ一致することが分かる。
 上記のような電流制御を実現するために、モータ駆動装置は、制御対象とするモータの相数nに応じて、n個のブリッジ回路を有するインバータ回路と、このインバータ回路の各ブリッジ回路に対してドライブ信号を出力する制御器とを備える必要がある。一方、このモータ駆動装置により駆動されるモータは、互いに独立して制御可能なn個の独立巻線を有する必要があり、各独立巻線に流れる電流がモータ駆動装置によって制御される。このような構成のモータ駆動装置とモータの組み合わせにおいて本発明を適用することで、いずれかの相が欠相した場合に、欠相した相を除いた正常相の各交流電力が互いに相殺されるように、正常相の電気子巻線に流れる各電流の位相差を調整することができる。その結果、モータの出力トルクの脈動を抑え、モータの電機子巻線に滑らかに回転する回転磁界を発生させて、モータの回転を継続させることができる。
 次に、以上説明した欠相時の電流位相調整におけるモータ駆動装置200の動作について、さらに具体的に説明する。
 モータ駆動装置200において、たとえばW相のブリッジ回路210c内でIGBT221やダイオード222に動作異常が発生したり、モータ100内の配線や交流出力線120が断線したりすることで、W相の電機子巻線102cに電流が流れなくなり、W相の交流電力が欠相した場合を考える。この場合、モータ駆動装置200は、残りの正常な二相の電気子巻線102aおよび102bを用いて、電流制御を行うことが可能である。しかし、欠相時にも通常の三相が平衡した状態と同様に、各相の電流を120度の位相差で出力することでモータ100を駆動させてしまうと、図8で説明したように、U相の瞬時電力PとV相の瞬時電力Pを合計した入力電力PINに大きな脈動が発生してしまう。その結果、モータ100において大きなトルク脈動が発生する。
 そこで、モータ駆動装置200は、モータ100の各相の電気子巻線102a、102b、102cに流れる電流をそれぞれ独立に制御できるという特徴を用いて、前述のように、正常な二相の瞬時電力PおよびPの位相を調整して、これらの山谷を互いに相殺させるようにする。このときモータ駆動装置200は、制御器203において、モータ100の出力軸105に取付けられた磁極位置検出器110から出力される磁極位置情報を元に各相の誘起電圧の位相を求め、その誘起電圧に対して、各相の電流位相をそれぞれ個別に制御するための電流制御演算を行う。これにより、瞬時電力PとPの位相差を調整し、モータ100のトルク脈動を低減する。
 上記の電流制御演算は、モータ駆動装置200とモータ100の間に取付けられた各相の電流センサ130から出力される電流値の情報と、モータ100の出力軸105に取付けられた磁極位置検出器110から出力される磁極位置情報とを用いて行われる。制御器203は、電流制御演算の結果に応じて、インバータ回路210の各ブリッジ回路210a、210b、210cに含まれるIGBT221に対して、ドライブ信号Gu、Gv、Gwを出力する。このドライブ信号Gu、Gv、Gwに応じて各相のブリッジ回路210a、210b、210cがスイッチング動作を行うことで、各相の誘起電圧に対する電流位相を個別に調整できる。
 次に、欠相時の電流位相調整を行った場合にモータ100内で生じる回転磁界について説明する。図10は、W相が欠相した場合の位相調整後のU相電流iとV相電流iの波形を示す図である。図11は、図10に示したA~Gの各電気角に対応するモータ100内の起磁力ベクトルを示す図である。
 図10に示すように、W相が欠相したときにU相電流iに対してV相電流iの位相が60°ずれるように電流位相調整を行うと、モータ100の内部には、図11に示すような起磁力ベクトルによる回転磁界が生じる。このとき、U相の電機子巻線102aとV相の電気子巻線102bは、電流の変化に応じた交番する起磁力を各電機子巻線に対して直角方向にそれぞれ発生させる。
 図10のAに示す電気角が0°のときには、U相電流iは0であり、V相電流iのみが流れる。このときモータ100内には、図11のAに示すように、U相起磁力Fは0となり、V相起磁力Fのみが生じる。したがって、U相の電機子巻線102aとV相の電気子巻線102bによる合成起磁力Fuvは、V相起磁力Fと同じになる。
 次に、図10のBに示す電気角が30°のときには、U相とV相の両方に電流が流れる。このときにモータ100内に生じる合成起磁力Fuvは、図11のBに示すように、U相起磁力FとV相起磁力Fとのベクトル和になる。このように、図10の電流波形においてAからBへ電気角で30°分電流値が変化すると、モータ100内の起磁力は図11のAからBのように変化する。図11のAとBを比較すると、U相起磁力FとV相起磁力Fの大きさはそれぞれ変化しているが、これらの合成起磁力Fuvについては、同じ大きさで反時計回りに30°回転していることが分かる。
 同様に、図10においてC~Gにそれぞれ示す30°ごとの電流値に対応して、それぞれでのモータ100の起磁力を図11のC~Gに示す。図11から、図10に示すようなU相電流iおよびV相電流iの変化に伴って、U相とV相の合成起磁力Fuvが一定の大きさで反時計回りに回転していることが分かる。すなわち、モータ100内では一定の大きさの回転磁界が発生していることが分かる。
 なお、図11において、図10のH~Mにそれぞれ示した210°~360°の範囲での各電気角に対して生じる起磁力ベクトルについては、図示を省略している。しかし、これらの電気角におけるU相電流iおよびV相電流iの値は、図10においてB~Gにそれぞれ示した各電気角での値の符号を反転したものと同じである。したがって、上記と同様に、これらの電気角でのU相とV相の合成起磁力Fuvについても、同じ大きさで反時計回りに回転することが分かる。
 なお、図11では、電気角と機械角が一致している二極モータを例に説明したが、電気角と機械角が異なる多極モータについても同様に、電流値の変化に伴って電機子巻線に回転する磁界を発生することができる。
 以上説明したように、モータ駆動装置200は、インバータ回路210のブリッジ回路210a、210b、210cのいずれかにおける動作異常や、モータ100内の配線や交流出力線120の断線によっていずれかの相が欠相した場合に、残りの正常な二相を用いて電流位相調整を行い、モータ100を駆動させる。その結果、モータ100内に滑らかに回転する回転磁界を発生させて、大きなトルク脈動を生じさせることなく、モータ100を駆動させることができる。
 以上説明した本発明の第1の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
(1)モータ駆動装置200は、各相の電気子巻線102a、102b、102cが互いに独立して設けられたモータ100の駆動を制御するものであり、直流母線201a、201bを介して供給される直流電力を三相の交流電力に変換して各相の電気子巻線102a、102b、102cにそれぞれ出力するインバータ回路210と、インバータ回路210を制御するための制御器203とを備える。このモータ駆動装置200において、制御器203は、インバータ回路210が出力する交流電力においていずれかの相が欠相した場合に、欠相した相を除いた他の正常相の各交流電力が互いに相殺されるように、正常相の電気子巻線に流れる各電流の位相差を調整する。このようにしたので、モータ100の駆動中にいずれかの相が欠相となった場合に、モータ100が発生する駆動トルクの脈動を抑えつつモータ100の駆動を継続することができる。
(2)制御器203は、インバータ回路210が出力する交流電力においていずれかの相が欠相した場合に、モータ100の相数をn、欠相した相数をmとして、正常相の各交流電力の位相差Dp(°)が前述の式(8)を満たすことで、正常相の各交流電力が互いに相殺されるように、正常相の電気子巻線に流れる各電流の位相差を調整する。このようにしたので、モータ100のような三相モータに加えて、さらに三相以外の独立巻線型の様々な多相モータについても、欠相時に駆動トルクの脈動を抑え、そのモータの駆動を継続することができる。
(3)制御器203は、正常相の電気子巻線に流れる各電流の位相差Di(°)が前述の式(9)を満たすように調整する。このようにしたので、モータの相数に関わらず、正常相の電気子巻線に流れる各電流の位相差を適切に調整して、正常相の各交流電力を確実に相殺させることができる。
(第2の実施形態)
 本発明の第2の実施形態について以下に説明する。本実施形態では、モータ駆動装置200のインバータ回路210からモータ100に出力される交流電力においていずれかの相が欠相した場合に、その相の交流電力を遮断する例を説明する。
 なお、本実施形態に係るモータ駆動装置200の構成やモータ100の構成は、第1の実施形態で説明した図1の構成と同じである。したがって、本実施形態では、図1の構成図に示した構成を用いて説明を行う。
 図12は、モータ駆動装置200において、インバータ回路210のうちW相のブリッジ回路210cがオフ故障した様子を示す図である。たとえば図12に示すように、W相のブリッジ回路210cにおいてIGBT221の一つが常にオフ状態のままで変化しない故障が発生した場合について考える。この場合、ブリッジ回路210cは、全波整流回路と同様の動作を行う。
 図12のようなオフ故障が発生すると、モータ100の回転数が比較的低いときには、図13に示すように、直流電源201から供給される直流電圧Vdcよりも、W相の誘起電圧を整流して得られる電圧|V|の方が低い。そのため、モータ100からモータ駆動装置200へと流れる電流は発生しない。
 しかし、モータ100の回転数がある一定の値以上になると、図14に示すように、直流電源201から供給される直流電圧Vdcよりも、W相の誘起電圧を整流して得られる電圧|V|の方が高くなることがある。図15は、オフ故障時のW相のブリッジ回路210cにおける電流経路を示す図である。オフ故障時には、図15に示すように、モータ100においてW相の電機子巻線102cに生じる誘起電圧により、モータ100からW相のブリッジ回路210cに含まれる各ダイオード222を通ってモータ駆動装置200に電流が流れる。この電流は、モータ100においてブレーキトルクやトルク脈動の原因となる。したがって、故障したW相のブリッジ回路210cをモータ100から切り離し、図15のような電流が流れるのを防止する必要がある。
 図16は、モータ駆動装置200において、インバータ回路210のうちW相のブリッジ回路210cがオン故障したときの電流経路を示す図である。たとえば図16に示すように、W相のブリッジ回路210cにおいてIGBT221の一つが常にオン状態のままで変化しない故障が発生した場合について考える。この場合、IGBT221が短絡状態となるため、モータ100においてW相の電機子巻線102cに生じる誘起電圧により、図16に示すように、W相のブリッジ回路210c内を循環する電流が流れる。この電流も図15と同様に、モータ100においてブレーキトルクやトルク脈動の原因となる。したがって、故障したW相のブリッジ回路210cをモータ100から切り離し、図16のような電流が流れるのを防止する必要がある。
 そこで本実施形態では、インバータ回路210が出力する交流電力において欠相が生じた場合に、欠相した相に対応する部分の電力を遮断するためのスイッチをモータ駆動装置200内に設ける。これにより、インバータ回路210においてブリッジ回路210a、210b、210cのいずれかが故障しても、上記のような電流が流れるのを防止する。以下にその詳細を説明する。
 図17は、電力遮断用のスイッチ213を各相のブリッジ回路210a、210b、210cにそれぞれ設けた例を示す図である。モータ駆動装置200やモータ100において前述のような異常が生じることで、インバータ回路210が出力する交流電力のうちいずれかの相が欠相した場合、モータ駆動装置200は、図1の制御器203または他の装置からの指示に応じて、各相のブリッジ回路210a、210b、210cのうち欠相した相に対応するブリッジ回路に接続されている4個のスイッチ213を開放状態とする。これにより、インバータ回路210のうち欠相した相に対応する部分のブリッジ回路を直流母線201a、201bから切り離して、そのブリッジ回路からモータ100への交流電力を遮断する。その結果、欠相部分の回路に電流が流れることでモータ100の駆動に悪影響が生じるのを防止することができる。
 図18は、電力遮断用のスイッチ214を各相の交流出力線120にそれぞれ設けた例を示す図である。モータ駆動装置200やモータ100において前述のような異常が生じることで、インバータ回路210が出力する交流電力のうちいずれかの相が欠相した場合、モータ駆動装置200は、図1の制御器203または他の装置からの指示に応じて、各相の交流出力線120のうち欠相した相に対応する交流出力線の途中に設けられているスイッチ214を開放状態とする。これにより、各相の電気子巻線102a、102b、102cのうち欠相した相に対応する電気子巻線をインバータ回路210から切り離して、インバータ回路210からその電気子巻線への交流電力を遮断する。その結果、欠相部分の回路に電流が流れるのを防止し、モータ100の駆動に悪影響が生じるのを回避することができる。
 以上説明した本発明の第2の実施形態によれば、モータ駆動装置200は、インバータ回路210のうち欠相した相に対応する部分を直流母線201a、201bから切り離すためのスイッチ213、または各相の電気子巻線102a、102b、102cのうち欠相した相に対応する電気子巻線をインバータ回路から切り離すためのスイッチ214をさらに備える。このようにしたので、インバータ回路210から出力される交流電力において欠相が生じた場合に、欠相した相の交流電力を遮断することができる。したがって、欠相部分の回路に電流が流れることでモータ100の駆動に悪影響が生じるのを防止することができる。
 なお、以上説明した各実施の形態では、各相の電気子巻線102a、102b、102cに流れる電流をそれぞれ独立に制御可能な独立巻線型の三相モータ100を例に説明を行ったが、三相以外の多相モータについても本発明を適用可能である。すなわち、各相の電気子巻線に流れる電流をそれぞれ独立に制御可能な独立巻線型の多相モータの駆動を制御するモータ駆動装置であれば、本発明を適用することで、インバータ回路からモータに出力される交流電力においていずれかの相が欠相した場合に、正常相の各交流電力が互いに相殺されるように、正常相の電気子巻線に流れる各電流の位相差を調整することができる。これにより、欠相時であってもモータの出力トルクの脈動を低減し、かつモータの電機子巻線に滑らかに回転する回転磁界を発生させることができる。その結果、モータの駆動を継続することができる。
 また、以上説明した各実施形態や各種の変化例はあくまで一例であり、発明の特徴が損なわれない限り、本発明はこれらの内容に限定されない。本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
  100:モータ
  102a、102b、102c:電気子巻線
  110:磁極位置検出器120:交流出力線
  130:電流センサ
  200:モータ駆動装置
  201:直流電源201a、201b:直流母線
  202:平滑コンデンサ
  203:制御器
  210:インバータ回路
  210a、210b、210c:ブリッジ回路
  221:IGBT
  222:ダイオード

Claims (7)

  1.  各相の電気子巻線が互いに独立して設けられた多相モータの駆動を制御するモータ駆動装置であって、
     直流母線を介して供給される直流電力を多相の交流電力に変換して前記各相の電気子巻線にそれぞれ出力するインバータ回路と、
     前記インバータ回路を制御するための制御器と、を備え、
     前記制御器は、前記交流電力においていずれかの相が欠相した場合に、前記欠相した相を除いた他の正常相の各交流電力が互いに相殺されるように、前記正常相の電気子巻線に流れる各電流の位相差を調整するモータ駆動装置。
  2.  請求項1に記載のモータ駆動装置において、
     前記制御器は、前記交流電力においていずれかの相が欠相した場合に、前記モータの相数をn、前記欠相した相数をmとして、前記正常相の各交流電力の位相差Dp(°)が以下の式を満たすことで、前記正常相の各交流電力が互いに相殺されるように、前記正常相の電気子巻線に流れる各電流の位相差を調整するモータ駆動装置。
     Dp=360/2(n-m)、ただし、n、mは正の整数であり、n≧m+2
  3.  請求項2に記載のモータ駆動装置において、
     前記制御器は、前記交流電力においていずれかの相が欠相した場合に、前記正常相の電気子巻線に流れる各電流の位相差Di(°)が以下の式を満たすように調整するモータ駆動装置。
     Di=360/(n-m)-360/n
  4.  請求項1乃至3のいずれか一項に記載のモータ駆動装置において、
     前記モータは、三相の電気子巻線が互いに独立して設けられた三相モータであり、
     前記制御器は、前記交流電力においていずれか一相が欠相した場合に、前記欠相した相を除いた他の二つの正常相の各交流電力が互いに相殺されるように、前記二つの正常相の電気子巻線に流れる各電流の位相差を調整するモータ駆動装置。
  5.  請求項2または3に記載のモータ駆動装置において、
     n=3、m=1であるモータ駆動装置。
  6.  請求項1乃至3のいずれか一項に記載のモータ駆動装置において、
     前記インバータ回路のうち前記欠相した相に対応する部分を前記直流母線から切り離すための第1のスイッチをさらに備えるモータ駆動装置。
  7.  請求項1乃至3のいずれか一項に記載のモータ駆動装置において、
     前記欠相した相に対応する電気子巻線を前記インバータ回路から切り離すための第2のスイッチをさらに備えるモータ駆動装置。
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