WO2018142828A1 - モータ駆動装置、および電動パワーステアリング装置 - Google Patents

モータ駆動装置、および電動パワーステアリング装置 Download PDF

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WO2018142828A1
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switching
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field effect
switching circuit
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広樹 藤原
喜久 菅野
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日本電産株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a motor drive device and an electric power steering device.
  • a motor drive device for driving a motor used in an electric power steering device or the like
  • a motor drive device including a switching circuit for switching a current supply path between an inverter circuit and a power source and between an inverter circuit and a motor between a conduction state and a cutoff state It has been known.
  • the electric power steering device stops assisting the steering wheel operation. If the connection between the inverter circuit and the motor is maintained after the assistance is stopped, the motor functions as a generator by the steering operation by human power, and an extra load is applied to the steering operation. Further, if the connection between the inverter circuit and the power source is maintained, malfunction of the electric power steering apparatus may occur.
  • the switching circuit cuts off the connection between the power source and the inverter circuit and the connection between the motor and the inverter circuit when the inverter circuit fails.
  • the connection between the motor and the inverter circuit is cut off before the connection between the power supply and the inverter circuit is cut off, the back electromotive force from the motor is applied to the switching element included in the switching circuit between the motor and the inverter circuit.
  • the voltage applied to the switching element due to the counter electromotive force may exceed the maximum rating of the switching element, and the switching element may be damaged.
  • Patent Document 1 discloses a motor drive device that directly sends a command signal for cutting off the connection between the motor and the inverter circuit to the switching element after stopping power supply to the inverter circuit.
  • the present invention provides a motor drive device that is advantageous in terms of control certainty that delays the timing of disconnecting the connection between the motor and the inverter circuit from the timing of disconnecting the connection between the power source and the inverter circuit. Objective.
  • An exemplary first invention of the present application is a motor drive device that drives a motor, and includes an inverter circuit that supplies a current supplied from an external power source to the motor, and a current supply path between the external power source and the inverter circuit.
  • a first switching circuit that switches between a conduction state and a cutoff state, a second switching circuit that switches a current supply path between the inverter circuit and the motor between a conduction state and a cutoff state, and a current flowing through the inverter circuit are detected
  • a delay circuit is arranged between the second switching circuit and the switching drive unit to delay the timing at which the boosted cut
  • motor driving that is advantageous in terms of control certainty that delays the timing for disconnecting the connection between the motor and the inverter circuit from the timing for disconnecting the connection between the power source and the inverter circuit.
  • Equipment can be provided.
  • FIG. 1 is a schematic view of an electric power steering apparatus provided with a motor drive device.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of the motor driving device.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating each function of the control unit.
  • 4A, 4B, and 4C are diagrams illustrating configuration examples of the delay circuit.
  • 5A, 5B, and 5C are diagrams illustrating configuration examples of the delay circuit.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a motor driving device in the case of controlling two motors.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an electric power steering apparatus 1 including a motor drive device 30 according to the present embodiment.
  • the electric power steering device 1 is a device that assists a driver's steering wheel operation in a transportation device such as an automobile.
  • the electric power steering device 1 according to the present embodiment includes a torque sensor 10, a motor 20, and a motor drive device 30.
  • the motor 20 and the motor driving device 30 are built in a common housing. By making the motor 20 a so-called electromechanical integrated type, for example, the electric power steering apparatus 1 can be downsized.
  • the torque sensor 10 is attached to the steering shaft 92.
  • the torque sensor 10 detects the torque applied to the steering shaft 92.
  • a torque signal that is a detection signal of the torque sensor 10 is output from the torque sensor 10 to the motor drive device 30.
  • the motor drive device 30 drives the motor 20 based on the torque signal input from the torque sensor 10.
  • the motor drive device 30 may refer to not only the torque signal but also other information (for example, vehicle speed).
  • the motor drive device 30 supplies drive current to the motor 20 using electric power obtained from the external power supply 40.
  • the driving force generated from the motor 20 is transmitted to the wheel 93 via the gear box 50.
  • the rudder angle of the wheel 93 changes.
  • the electric power steering apparatus 1 amplifies the torque of the steering shaft 92 by the motor 20 and changes the steering angle of the wheel 93. Therefore, the driver can operate the steering wheel 91 with a light force.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the motor drive device 30.
  • the motor drive device 30 includes a control unit 31, a current detection unit 32, a switching drive unit 33, a first switching circuit 34, a second switching circuit 35, and an inverter drive unit. 36, an inverter circuit 37, and a delay circuit 38.
  • a three-phase synchronous brushless motor is used as the motor 20.
  • the motor 20 is composed of a three-phase coil of a U phase 20u, a V phase 20v, and a W phase 20w.
  • current is supplied from the motor driving device 30 to each of the U phase 20u, the V phase 20v, and the W phase in the motor 20.
  • a current is supplied, a rotating magnetic field is generated between a stator having a three-phase coil of U phase 20u, V phase 20v and W phase 20w and a rotor having a magnet.
  • the rotor rotates with respect to the stator of the motor 20.
  • the control unit 31 receives the torque signal output from the torque sensor 10.
  • a computer having an arithmetic processing unit such as a CPU, a memory such as a RAM, and a storage unit such as a hard disk drive is used.
  • an electric circuit having an arithmetic device such as a microcontroller may be used instead of the computer.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating each function of the control unit 31.
  • the control unit 31 includes a setting unit 311, a feedback control unit 312, and a switching command unit 313.
  • the setting unit 311 sets a drive signal for driving the motor 20 based on the torque signal from the torque sensor 10.
  • the feedback control unit 312 generates a drive signal in which the current value of the current flowing through the inverter circuit 37 detected by the current detection unit 32 is close to the current value corresponding to the drive signal set by the setting unit 311.
  • the generated drive signal is a pulse width modulation (PWM) PWM drive signal and includes information on the duty ratio.
  • PWM pulse width modulation
  • the feedback control unit 312 outputs a PWM drive signal to the inverter drive unit 36.
  • the switching command unit 313 receives the current value of the current flowing through the inverter circuit 37 detected by the current detection unit 32 and the monitoring result of the presence or absence of the overcurrent flowing through the first switching circuit 34 by the switching drive unit 33. .
  • the switching command unit 313 also includes a signal indicating that the switching drive unit 33 has commanded the first switching circuit 34 to disconnect and a signal indicating that the current supply path has been commanded to conduct switching. Input from the unit 33.
  • the value of the current flowing through the first switching circuit 34 indicates whether or not the inverter circuit 37 has failed.
  • the switching command unit 313 instructs the first switching circuit 34 and the second switching circuit 35 to disconnect the connection when the current value of the current flowing through the inverter circuit 37 does not fall within a predetermined range. Is output to the switching drive unit 33.
  • the switching command unit 313 sets the current supply path to the conductive state with respect to the first switching circuit 34 and the second switching circuit 35.
  • the voltage is output to the switching drive unit 33.
  • the predetermined range is a current value range of a current flowing through the inverter circuit 37 in a state where the inverter circuit 37 is not short-circuited or disconnected.
  • the disconnection means switching the current supply path between the external power supply 40 and the inverter circuit 37 (hereinafter referred to as a power supply line) from the conduction state to the cutoff state, and the current between the inverter circuit 37 and the motor 20. This means that the supply path is switched from the conduction state to the cutoff state.
  • the current detection unit 32 is an electric circuit for detecting a current flowing in the shunt resistor 372 included in the inverter circuit 37.
  • the current detection unit 32 generates a detection signal indicating a current flowing through each shunt resistor 372 by measuring a potential difference between both ends of the three shunt resistors 372.
  • the generated detection signal is sent from the current detection unit 32 to the feedback control unit 312 and the switching command unit 313 of the control unit 31 shown in FIG.
  • the switching drive unit 33 boosts and outputs the input voltage, monitors the presence / absence of overcurrent flowing through the power supply line and outputs a monitor result, and conducts or shuts off command voltage based on the monitor result. Is an electric circuit having a function of outputting.
  • the switching drive unit 33 boosts the conduction command voltage to a voltage that can turn on the field effect transistors included in the first switching circuit 34 and the second switching circuit 35. Output to each switching circuit. Turning on the field effect transistor means that a current flows between the source and drain of the field effect transistor. Further, turning off the field effect transistor means that no current flows between the source and drain of the field effect transistor.
  • the switching drive unit 33 boosts and outputs the cutoff command voltage as necessary so that the potential difference between the gate and the source of the field effect transistor becomes 0V.
  • the switching driver 33 monitors the overcurrent flowing through the power supply line by monitoring the potential difference between the drains of the two field effect transistors included in the first switching circuit 34.
  • the switching drive unit 33 determines that the overcurrent has been detected. If it is equal to or less than the threshold value, the switching drive unit 33 determines that no overcurrent is flowing in the power supply line.
  • the switching drive unit 33 When the switching drive unit 33 determines that an overcurrent has been detected, the switching drive unit 33 outputs a signal indicating that the overcurrent has been detected to the switching command unit 313. Furthermore, the switching drive unit 33 outputs a cutoff command voltage for commanding the cutoff of the connection to the first switching circuit and outputs a signal indicating that the cutoff is commanded to the switching command unit 313.
  • the switching drive unit 33 determines that the overcurrent does not flow through the power supply line, the switching drive unit 33 outputs a signal indicating that the overcurrent does not flow through the power supply line to the switching command unit 313. Furthermore, the switching drive unit 33 outputs a continuity command voltage for commanding continuity of connection to the first switching circuit 34 and outputs a signal indicating that the continuity is commanded to the switching command unit 313.
  • the current value of the current flowing through the power supply line is affected by whether or not the inverter circuit 37 has failed.
  • the switching drive unit 33 can monitor the state of the inverter circuit 37 by monitoring the presence or absence of an overcurrent flowing through the power supply line. Therefore, the current detection unit 32 and the switching drive unit 33 can double-monitor the state of the inverter circuit 37, and the safety of the motor drive device 30 can be further improved.
  • the first switching circuit 34 is an electric circuit that switches a current supply path between the external power supply 40 and the inverter circuit 37 between a conduction state and a cutoff state.
  • the first switching circuit 34 includes a pair of field effect transistors 341 connected in series with each other in order from the external power supply 40 side. According to this connection method, failure of the first switching circuit 34 due to switching of current supply to the inverter circuit 37 can be prevented.
  • the second switching circuit 35 is an electric circuit that switches a current supply path between the inverter circuit 37 and the motor 20 between a conduction state and a cutoff state.
  • the second switching circuit 35 has the same number of field effect transistors 351 as the number of phases of the motor 20.
  • each drain of the field effect transistor 351 is connected to each phase of the motor 20. According to this connection method, when a failure due to a short circuit or disconnection occurs in the inverter circuit 37, the inverter circuit 37 and each phase of the motor 20 are shut off, and the lock of the motor 20 due to the failure of the inverter circuit 37 is avoided. I can do things.
  • the inverter drive unit 36 is an electric circuit for operating the inverter circuit 37.
  • the inverter drive unit 36 supplies the PWM drive signal output from the feedback control unit 312 illustrated in FIG. 3 to the six switching elements 371 included in the inverter circuit 37.
  • the inverter circuit 37 is an electric circuit that supplies current supplied from the external power supply 40 to the motor 20.
  • the six switching elements 371 included in the inverter circuit 37 for example, a transistor such as a field effect transistor is used. In this embodiment, three sets of a pair of switching elements 371 connected in series between the external power supply 40 and the ground are provided in parallel.
  • MOSFETs metal oxide semiconductor field effect transistors
  • the delay circuit 38 is an electric circuit that delays the output timing of the input signal.
  • the time until the signal input to the delay circuit 38 is output from the delay circuit 38 is defined as a delay time. In this embodiment, the delay time is on the order of milliseconds.
  • the delay circuit 38 is disposed between the second switching circuit 35 and the switching drive unit 33.
  • the switching drive unit 33 outputs the cutoff command voltage to the first switching circuit 34 and the second switching circuit 35.
  • the delay circuit 38 delays the timing at which the cutoff command voltage is input to the second switching circuit 35 from the timing at which the cutoff command voltage is input to the first switching circuit 34.
  • the connection between the motor 20 and the inverter circuit 37 is interrupted after the connection between the external power supply 40 and the inverter circuit 37 is interrupted when a failure occurs in the inverter circuit 37.
  • the certainty of the control to be performed can be improved. Further, for example, the influence on the delay control due to the difference in response speed between the field effect transistor 341 and the field effect transistor 351 can be reduced. Therefore, it can be prevented that the back electromotive force from the motor 20 exceeds the maximum rating of the field effect transistor 351 and the field effect transistor 351 is damaged.
  • the cutoff command voltage output from the delay circuit 38 is input to the gate of the field effect transistor 351 at once.
  • the certainty of control that delays the timing at which the boosted cutoff command voltage is input to the second switching circuit 35 than the timing at which the first switching circuit 34 is input. Can be improved. Therefore, when the inverter circuit 37 fails, the connection between the motor 20 and the inverter circuit 37 can be cut off after the connection between the power source 20 and the inverter circuit 37 is cut off. And it can prevent that the back electromotive force from the motor 20 exceeds the maximum rating of the field effect transistor 351, and the field effect transistor 351 is damaged.
  • FIG. 4A, 4B, and 4C are diagrams illustrating a configuration example of the delay circuit 38.
  • FIG. The delay circuit 38A shown in FIG. 4A has one resistor R1 and the same number of capacitors C1 as the field effect transistor 351.
  • the resistor R1 is connected in series with one end of each capacitor C1.
  • the connection point between the resistor R1 and one end of the capacitor C1 is connected to the gate of the field effect transistor 351, and the other end of the capacitor C1 is connected to the source of the field effect transistor 351.
  • the delay time is determined by the resistance value of the resistor R1 and the capacitance value of the capacitor C1.
  • the failure of the second switching circuit 35 can be prevented by setting the timing at which the cutoff command voltage is input to the second switching circuit 35 to a delay time that is delayed from the timing at which the cutoff command voltage is input to the first switching circuit 34. .
  • a delay circuit 38B illustrated in FIG. 4B is a circuit in which a diode D1 is added to the delay circuit 38A.
  • the diode D1 is connected in parallel to the resistor R1.
  • the diode D1 is a forward diode from the switching drive unit 33 toward the capacitor C1.
  • a delay circuit 38C illustrated in FIG. 4C is a circuit in which a resistor R2 is added to the delay circuit 38B.
  • the resistor R2 is disposed in parallel with the resistor R1 between the diode D1 and the capacitor C1.
  • the cutoff command voltage output from the delay circuit 38 is input to the gate of the field effect transistor 351 at once.
  • the cutoff command voltage and the conduction command voltage are individually input for each of the U phase 20u, the V phase 20v, and the W phase 20w of the motor 20.
  • FIG. 5A, 5B, and 5C are diagrams illustrating a configuration example of the delay circuit 38.
  • FIG. The delay circuit 38D illustrated in FIG. 5A includes the same number of resistors R1 as the field effect capacitors 351 and the same number of capacitors C1 as the field effect transistors 351.
  • the resistor R1 is connected in series with one end of each capacitor C1.
  • the connection point between the resistor R1 and one end of the capacitor C1 is connected to the gate of the field effect transistor 351, and the other end of the capacitor C1 is connected to the source of the field effect transistor 351.
  • the delay time is determined by the resistance value of the resistor R1 and the capacitance value of the capacitor C1.
  • the failure of the second switching circuit 35 can be prevented by setting the timing at which the cutoff command voltage is input to the second switching circuit 35 to a delay time that is delayed from the timing at which the cutoff command voltage is input to the first switching circuit 34. .
  • a delay circuit 38E shown in FIG. 5B is a circuit obtained by adding a diode D1 to the delay circuit 38D.
  • the diode D1 is connected in parallel to each of the resistors R1.
  • the diode D1 is a forward diode from the switching drive unit 33 toward the capacitor C1.
  • the delay circuit 38F illustrated in FIG. 5C is a circuit in which a resistor R2 is added to the delay circuit 38E.
  • the resistor R2 is disposed in parallel with the resistor R1 between the diode D1 and the capacitor C1.
  • a motor that is advantageous in terms of control certainty that delays the timing for disconnecting the connection between the motor and the inverter circuit from the timing for disconnecting the connection between the power source and the inverter circuit.
  • a drive device can be provided.
  • the motor drive device it is possible to meet the demand for safety by including the motor drive device according to the present embodiment and this modification.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a motor drive device in the case of controlling two motors.
  • the electric power steering apparatus 1 has two motors 20.
  • the motor drive device 60 of FIG. 6 includes a second system 602 having the same combination as the first system 601 in addition to the first system 601. That is, the second system 602 includes a current detection unit 62, a switching drive unit 63, a first switching circuit 64, a second switching circuit 65, an inverter drive unit 66, an inverter circuit 67, a delay circuit 68, the motor 20, including.
  • the motor driving device 60 has a control unit 61 including a first control unit 611 and a second control unit 612.
  • the first control unit 611 controls the first system 601, and the second control unit 612 controls the second system 602.
  • the operation of the electric power steering apparatus 1 can be continued by the other system.
  • a motor drive device including two systems the safety of the electric power steering device can be improved.
  • a motor drive device including a plurality of systems it is necessary to design each system so as not to affect each other.
  • the motor 20 is not limited to three phases. Moreover, you may apply said motor drive device 30 or 60 to apparatuses other than a power steering apparatus. For example, you may drive the motor used for the other site

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Abstract

【課題】モータとインバータ回路との接続を遮断するタイミングを、電源とインバータ回路との接続を遮断するタイミングよりも遅らせる制御の確実性の点で有利なモータ駆動装置を提供する。 【解決手段】モータ駆動装置であって、インバータ回路と、電源とインバータ回路との間の経路を導通および遮断に切り替える第１のスイッチング回路と、インバータ回路とモータとの間の経路を切り替える第２のスイッチング回路と、インバータ回路の電流を検出する電流検出部と、検出電流の電流値が所定の範囲に収まらない場合に、導通から遮断への切り替えを指令する指令電圧を出力する制御部と、制御部から入力された指令電圧を昇圧して、各スイッチング回路に出力する駆動部と、を有し、第２のスイッチング回路と駆動部との間において、指令電圧が第２のスイッチング回路に入力される時点を第１のスイッチング回路に入力される時点よりも遅らせる遅延回路が配置されている。

Description

モータ駆動装置、および電動パワーステアリング装置

　本発明は、モータ駆動装置、および電動パワーステアリング装置に関する。

　電動パワーステアリング装置等に使用されるモータを駆動するモータ駆動装置として、インバータ回路と電源間、およびインバータ回路とモータ間の電流供給経路を導通状態と遮断状態とに切り替えるスイッチング回路を備えるモータ駆動装置が知られている。インバータ回路に流れる電流の電流値が所定の範囲を超えた場合、電動パワーステアリング装置は、ハンドル操作のアシストを止める。アシストが止まった後、インバータ回路とモータとの接続を維持すると、人力によるハンドル操作でモータが発電機として機能し、ハンドル操作に余計な負荷が掛かってしまう。また、インバータ回路と電源との接続を維持すると、電動パワーステアリング装置の誤動作が起こりうる。

　スイッチング回路は、インバータ回路が故障した場合、電源とインバータ回路との接続および、モータとインバータ回路との接続を遮断する。ここで、電源とインバータ回路との接続を遮断する前に、モータとインバータ回路との接続を遮断すると、モータからの逆起電力がモータとインバータ回路間のスイッチング回路に含まれるスイッチング素子に印加される。逆起電力によりスイッチング素子にかかる電圧がスイッチング素子の最大定格を超えて、スイッチング素子が破損することが起こり得る。

　特許文献１は、インバータ回路への電力供給を停止した後にモータとインバータ回路との接続を遮断する指令信号をスイッチング素子に対して直接送るモータ駆動装置を開示している。

特開２０１１－２３９４８９号公報

　しかしながら、上記特許文献１のモータ駆動装置では、スイッチング素子の応答速度によっては、指令信号の通りに接続の切り替えを行うことが困難となりうる。

　本発明は、例えば、モータとインバータ回路との接続を遮断するタイミングを、電源とインバータ回路との接続を遮断するタイミングよりも遅らせる制御の確実性の点で有利なモータ駆動装置を提供することを目的とする。

　本願の例示的な第１発明は、モータを駆動するモータ駆動装置であって、外部電源から供給された電流をモータに供給するインバータ回路と、外部電源とインバータ回路との間の電流供給経路を導通状態と遮断状態とに切り替える第１のスイッチング回路と、インバータ回路とモータとの間の電流供給経路を導通状態と遮断状態とに切り替える第２のスイッチング回路と、インバータ回路を流れる電流を検出する電流検出部と、検出された電流の電流値が所定の範囲に収まらない場合に、導通状態から遮断状態への切り替えを指令する遮断指令電圧を出力する制御部と、制御部から入力された遮断指令電圧を昇圧して、昇圧した遮断指令電圧を第１のスイッチング回路および第２のスイッチング回路に出力するスイッチング駆動部と、を有し、第２のスイッチング回路とスイッチング駆動部との間において、昇圧した遮断指令電圧が第２のスイッチング回路に入力されるタイミングを第１のスイッチング回路に入力されるタイミングよりも遅らせる遅延回路が配置されている、ことを特徴とする。

　本願の例示的な第１発明によれば、モータとインバータ回路との接続を遮断するタイミングを、電源とインバータ回路との接続を遮断するタイミングよりも遅らせる制御の確実性の点で有利なモータ駆動装置を提供できる。

図１は、モータ駆動装置を備えた電動パワーステアリング装置の概略図である。 図２は、モータ駆動装置の構成を示すブロック図である。 図３は、制御部の各機能を示すブロック図である。 図４Ａ、図４Ｂおよび図４Ｃは、遅延回路の構成例を示す図である。 図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃは、遅延回路の構成例を示す図である。 図６は、２つのモータを制御する場合のモータ駆動装置の構成を示すブロック図である。

　以下、本発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する。なお、本発明の範囲は、以下の実施の形態に限定されず、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。

（実施形態）

　　＜電動パワーステアリング装置＞

　図１は、本実施形態に係るモータ駆動装置３０を備えた電動パワーステアリング装置１の概略図である。電動パワーステアリング装置１は、自動車等の輸送機器において、運転者のハンドル操作を補助する装置である。図１に示すように、本実施形態の電動パワーステアリング装置１は、トルクセンサ１０、モータ２０、およびモータ駆動装置３０を有する。本実施形態では、モータ２０およびモータ駆動装置３０は、共通の筐体に内蔵される。モータ２０をいわゆる機電一体型とすることで、例えば、電動パワーステアリング装置１を小型化することができる。

　トルクセンサ１０は、ステアリングシャフト９２に取り付けられている。運転者がステアリングホイール９１を操作してステアリングシャフト９２を回転させると、トルクセンサ１０は、ステアリングシャフト９２にかかるトルクを検出する。トルクセンサ１０の検出信号であるトルク信号は、トルクセンサ１０からモータ駆動装置３０へ出力される。モータ駆動装置３０は、トルクセンサ１０から入力されるトルク信号に基づいて、モータ２０を駆動させる。なお、モータ駆動装置３０は、トルク信号だけではなく、他の情報（例えば車速など）を併せて参照してもよい。

　モータ駆動装置３０は、外部電源４０から得られる電力を利用して、モータ２０に駆動電流を供給する。モータ２０から生じる駆動力は、ギアボックス５０を介して車輪９３に伝達される。これにより、車輪９３の舵角が変化する。このように、電動パワーステアリング装置１は、ステアリングシャフト９２のトルクを、モータ２０により増幅させて、車輪９３の舵角を変化させる。したがって、運転者は、軽い力でステアリングホイール９１を操作することができる。

　　＜モータ駆動装置＞

　続いて、モータ駆動装置３０の構成について説明する。図２は、モータ駆動装置３０の構成を示したブロック図である。図２に示すように、このモータ駆動装置３０は、制御部３１と、電流検出部３２と、スイッチング駆動部３３と、第１のスイッチング回路３４と、第２のスイッチング回路３５と、インバータ駆動部３６と、インバータ回路３７と、遅延回路３８と、を有する。

　　＜モータ＞

　本実施形態では、モータ２０として三相同期ブラシレスモータを用いる。モータ２０は、Ｕ相２０ｕ、Ｖ相２０ｖおよびＷ相２０ｗの３相のコイルで構成される。モータ２０の駆動時には、モータ駆動装置３０からモータ２０内のＵ相２０ｕ、Ｖ相２０ｖおよびＷ相のそれぞれに電流が供給される。電流が供給されると、Ｕ相２０ｕ、Ｖ相２０ｖおよびＷ相２０ｗの３相のコイルを有する固定子と、マグネットを有する回転子との間に、回転磁界が発生する。その結果、モータ２０の固定子に対して回転子が回転する。

　　＜制御部＞

　制御部３１は、トルクセンサ１０から出力されたトルク信号を受信する。制御部３１は、例えば、ＣＰＵ等の演算処理部、ＲＡＭ等のメモリ、およびハードディスクドライブ等の記憶部を有するコンピュータが用いられる。ただし、コンピュータに代えて、マイクロコントローラ等の演算装置を有する電気回路が用いられていてもよい。

　図３は、制御部３１の各機能を示すブロック図である。制御部３１は、設定部３１１と、フィードバック制御部３１２と、スイッチング指令部３１３と、を有する。設定部３１１は、トルクセンサ１０からのトルク信号に基づいて、モータ２０を駆動する駆動信号を設定する。

　フィードバック制御部３１２は、電流検出部３２により検出されたインバータ回路３７に流れる電流の電流値が、設定部３１１が設定した駆動信号に対応する電流値に近くなる駆動信号を生成する。例えば、本実施形態では、生成された駆動信号は、パルス幅変調方式（ＰＷＭ方式）のＰＷＭ駆動信号であり、デューティ比の情報を含む。フィードバック制御部３１２は、インバータ駆動部３６にＰＷＭ駆動信号を出力する。

　スイッチング指令部３１３には、電流検出部３２により検出されたインバータ回路３７に流れる電流の電流値および、スイッチング駆動部３３による第１のスイッチング回路３４に流れる過電流の有無のモニタ結果が入力される。また、スイッチング指令部３１３には、スイッチング駆動部３３が第１のスイッチング回路３４に対して接続の遮断を指令した旨を示す信号および、電流供給経路の導通を指令した旨を示す信号もスイッチング駆動部３３から入力される。第１のスイッチング回路３４に流れる電流の電流値は、インバータ回路３７の故障の有無を示す。

　スイッチング指令部３１３は、インバータ回路３７に流れる電流の電流値が所定の範囲に収まらない場合に、第１のスイッチング回路３４および第２のスイッチング回路３５に対して接続の遮断を指令する遮断指令電圧をスイッチング駆動部３３へ出力する。

　スイッチング指令部３１３は、インバータ回路３７に流れる電流の電流値が所定の範囲に収まる場合は、第１のスイッチング回路３４および第２のスイッチング回路３５に対して電流供給経路を導通状態とする導通指令電圧をスイッチング駆動部３３へ出力する。

　所定の範囲とは、インバータ回路３７に短絡または断線が起きていない状態におけるインバータ回路３７に流れる電流の電流値の範囲である。接続の遮断とは、外部電源４０とインバータ回路３７との間（以下、電源ラインという。）の電流供給経路を導通状態から遮断状態に切り替えること、およびインバータ回路３７とモータ２０との間の電流供給経路を導通状態から遮断状態に切り替えることを意味する。以上の各機能は、制御部３１内のメモリに予め記憶されたプログラムに基づいて実現されうる。

　　＜電流検出部＞

　図２に戻り、電流検出部３２は、インバータ回路３７に含まれるシャント抵抗３７２に流れる電流を検出するための電気回路である。電流検出部３２は、３つのシャント抵抗３７２の両端の電位差を計測することによって、各シャント抵抗３７２に流れる電流を示す検出信号を生成する。生成された検出信号は、電流検出部３２から図３に示した制御部３１のフィードバック制御部３１２およびスイッチング指令部３１３へ送られる。

　　＜スイッチング駆動部＞

　スイッチング駆動部３３は、入力された電圧を昇圧して出力する機能、電源ラインに流れる過電流の有無をモニタしてモニタ結果を出力する機能および、モニタ結果に基づいて導通指令電圧または遮断指令電圧を出力する機能を有する電気回路である。導通指令電圧が入力される場合、スイッチング駆動部３３は、第１のスイッチング回路３４および第２のスイッチング回路３５に含まれる電界効果トランジスタをＯＮにすることができる電圧まで、導通指令電圧を昇圧して、各スイッチング回路へ出力する。電界効果トランジスタをＯＮにするとは、電界効果トランジスタのソースとドレイン間に電流を流すという意味である。また、電界効果トランジスタをＯＦＦにするとは、電界効果トランジスタのソースとドレイン間に電流を流さないという意味である。なお、遮断指令電圧が入力される場合は、スイッチング駆動部３３は、電界効果トランジスタのゲートとソースとの間の電位差が０Ｖとなるように必要に応じて遮断指令電圧を昇圧して出力する。

　スイッチング駆動部３３は、第１のスイッチング回路３４に含まれる２つの電界効果トランジスタのドレイン間の電位差をモニタすることで電源ラインに流れる過電流をモニタする。電源ラインに過電流が流れるときのドレイン間電圧の電位差を閾値として、ドレイン間電圧が閾値を超えた場合、スイッチング駆動部３３は、過電流を検出したと判断する。閾値以下の場合は、スイッチング駆動部３３は、過電流が電源ラインに流れていないと判断する。

　スイッチング駆動部３３は、過電流を検出したと判断した場合、過電流を検出した旨を示す信号をスイッチング指令部３１３に出力する。さらに、スイッチング駆動部３３は、第１のスイッチング回路に対して接続の遮断を指令する遮断指令電圧を出力するとともに遮断を指令した旨を示す信号をスイッチング指令部３１３に出力する。

　スイッチング駆動部３３は、過電流が電源ラインに流れていないと判断した場合、過電流が電源ラインに流れていない旨を示す信号をスイッチング指令部３１３に出力する。さらに、スイッチング駆動部３３は、第１のスイッチング回路３４に対して接続の導通を指令する導通指令電圧を出力するとともに導通を指令した旨を示す信号をスイッチング指令部３１３に出力する。

　電源ラインに流れる電流の電流値は、インバータ回路３７の故障の有無の影響を受ける。スイッチング駆動部３３は電源ラインを流れる過電流の有無をモニタすることでインバータ回路３７の状態を監視することができる。したがって、電流検出部３２およびスイッチング駆動部３３によって、２重にインバータ回路３７の状態を監視することができ、モータ駆動装置３０の安全性をさらに向上させることができる。

　　＜スイッチング回路＞

　第１のスイッチング回路３４は、外部電源４０とインバータ回路３７との間の電流供給経路を導通状態と遮断状態とに切り替える電気回路である。第１のスイッチング回路３４は、外部電源４０の側から順に、互いのソースで直列接続される一対の電界効果トランジスタ３４１を有する。この接続の仕方によれば、インバータ回路３７への電流供給の切り替えによる第１のスイッチング回路３４の故障を防止することができる。

　第２のスイッチング回路３５は、インバータ回路３７とモータ２０との間の電流供給経路を導通状態と遮断状態とに切り替える電気回路である。第２のスイッチング回路３５は、モータ２０の相の数と同数の電界効果トランジスタ３５１を有する。また、電界効果トランジスタ３５１のそれぞれのドレインは、モータ２０の各相と接続される。この接続の仕方によれば、インバータ回路３７に短絡または断線による故障が起きた場合にインバータ回路３７とモータ２０の各相とを遮断して、インバータ回路３７の故障によるモータ２０のロックを回避する事ができる。

　　＜インバータ駆動部＞

　インバータ駆動部３６は、インバータ回路３７を動作させるための電気回路である。本実施形態では、インバータ駆動部３６は、図３に示したフィードバック制御部３１２が出力したＰＷＭ駆動信号を、インバータ回路３７に含まれる６つのスイッチング素子３７１に供給する。

　　＜インバータ回路＞

　インバータ回路３７は、外部電源４０から供給された電流をモータ２０に供給する電気回路である。インバータ回路３７に含まれる６つのスイッチング素子３７１としては、例えば、電界効果トランジスタなどのトランジスタが用いられる。本実施形態では、外部電源４０とグラウンドとの間で直列に接続された１対のスイッチング素子３７１が、並列に３組設けられている。本実施形態では、電界効果トランジスタ３４１、３５１およびスイッチング素子３７１として金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を用いる。

　　＜遅延回路＞

　遅延回路３８は、入力された信号を出力するタイミングを遅らせる電気回路である。遅延回路３８に入力された信号が遅延回路３８から出力されるまでの時間を遅延時間とする。本実施形態では、遅延時間はミリ秒オーダーとする。遅延回路３８は、第２のスイッチング回路３５とスイッチング駆動部３３との間に配置される。スイッチング駆動部３３は、遮断指令電圧を第１のスイッチング回路３４および第２のスイッチング回路３５に出力する。遅延回路３８は、遮断指令電圧が第２のスイッチング回路３５に入力されるタイミングを遮断指令電圧が第１のスイッチング回路３４に入力されるタイミングよりも遅らせる。

　遅延回路３８を上記のように配置することで、インバータ回路３７に故障が起きた場合に、外部電源４０とインバータ回路３７との接続を遮断した後に、モータ２０とインバータ回路３７との接続を遮断する制御の確実性を向上させることができる。また、例えば、電界効果トランジスタ３４１および電界効果トランジスタ３５１の応答速度の違いによる遅延制御への影響が低減されうる。したがって、モータ２０からの逆起電力が電界効果トランジスタ３５１の最大定格を超えて電界効果トランジスタ３５１が破損しまうことを防止することができる。

　本実施形態では、遅延回路３８から出力された遮断指令電圧は、電界効果トランジスタ３５１のゲートに一括して入力される。遅延制御をモータ２０の各相一括で行うことで、昇圧した遮断指令電圧が第２のスイッチング回路３５に入力されるタイミングを第１のスイッチング回路３４に入力されるタイミングよりも遅らせる制御の確実性を向上させることができる。よって、インバータ回路３７が故障した際、電源２０とインバータ回路３７との接続の遮断後に、モータ２０とインバータ回路３７との接続を遮断することができる。そして、モータ２０からの逆起電力が電界効果トランジスタ３５１の最大定格を超えて電界効果トランジスタ３５１が破損してしまうことを防止することができる。

　　＜遅延回路の構成例＞

　図４Ａ、図４Ｂおよび図４Ｃは、遅延回路３８の構成例を示す図である。図４Ａに示す遅延回路３８Ａは、ひとつの抵抗Ｒ１と電界効果トランジスタ３５１と同数のコンデンサＣ１を有する。抵抗Ｒ１は、コンデンサＣ１のそれぞれの一端と直列に接続される。抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１のそれぞれの一端との接続点は、電界効果トランジスタ３５１のゲートと接続し、コンデンサＣ１のそれぞれの他端は、電界効果トランジスタ３５１のソースと接続される。遅延時間は、抵抗Ｒ１の抵抗値およびコンデンサＣ１の容量値により決定される。遮断指令電圧が第２のスイッチング回路３５に入力されるタイミングを第１のスイッチング回路３４に入力されるタイミングよりも遅らせる遅延時間とすることで第２のスイッチング回路３５の故障を防止することができる。

　図４Ｂに示す遅延回路３８Ｂは、遅延回路３８ＡにダイオードＤ１を追加した回路である。ダイオードＤ１は、抵抗Ｒ１に並列に接続される。ダイオードＤ１は、スイッチング駆動部３３からコンデンサＣ１へ向かって順方向のダイオードである。ダイオードＤ１をこのように配置することで、導通指令電圧および遮断指令電圧のうち、遮断指令電圧が第２のスイッチング回路３５に入力されるタイミングを第１のスイッチング回路３４に入力されるタイミングよりも遅らせることができる。これにより、第２のスイッチング回路３５の故障を防止することができる。

　図４Ｃに示す遅延回路３８Ｃは、遅延回路３８Ｂに抵抗Ｒ２を追加した回路である。抵抗Ｒ２は、ダイオードＤ１とコンデンサＣ１との間に、抵抗Ｒ１と並列に配置される。抵抗Ｒ２をこのように配置することで、導通指令電圧および遮断指令電圧が第２のスイッチング回路３５に入力されるタイミングを第１のスイッチング回路３４に入力されるタイミングよりも遅らせることができる。これにより、第２のスイッチング回路３５の故障を防止することができる。

（実施形態の変形例）

　上記実施形態では、遅延回路３８から出力された遮断指令電圧を電界効果トランジスタ３５１のゲートに一括して入力している。本変形例では、モータ２０のＵ相２０ｕ、Ｖ相２０ｖおよびＷ相２０ｗの各相個別に遮断指令電圧および導通指令電圧を入力する。各相個別に遅延制御を行うことで故障箇所の特定をしたり、故障していない相のみを用いる動作をしたりすることができる。

　　＜遅延回路の構成例＞

　図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃは、遅延回路３８の構成例を示す図である。図５Ａに示す遅延回路３８Ｄは、電界効果コンデンサ３５１と同数の抵抗Ｒ１と、電界効果トランジスタ３５１と同数のコンデンサＣ１を有する。抵抗Ｒ１は、コンデンサＣ１のそれぞれの一端と直列に接続される。抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１のそれぞれの一端との接続点は、電界効果トランジスタ３５１のゲートと接続し、コンデンサＣ１のそれぞれの他端は、電界効果トランジスタ３５１のソースと接続される。遅延時間は、抵抗Ｒ１の抵抗値およびコンデンサＣ１の容量値により決定される。遮断指令電圧が第２のスイッチング回路３５に入力されるタイミングを第１のスイッチング回路３４に入力されるタイミングよりも遅らせる遅延時間とすることで第２のスイッチング回路３５の故障を防止することができる。

　図５Ｂに示す遅延回路３８Ｅは、遅延回路３８ＤにダイオードＤ１を追加した回路である。ダイオードＤ１は、抵抗Ｒ１のそれぞれに並列に接続される。ダイオードＤ１は、スイッチング駆動部３３からコンデンサＣ１へ向かって順方向のダイオードである。ダイオードＤ１をこのように配置することで、導通指令電圧および遮断指令電圧のうち、遮断指令電圧が第２のスイッチング回路３５に入力されるタイミングを第１のスイッチング回路３４に入力されるタイミングよりも遅らせることができる。これにより、第２のスイッチング回路３５の故障を防止することができる。

　図５Ｃに示す遅延回路３８Ｆは、遅延回路３８Ｅに抵抗Ｒ２を追加した回路である。抵抗Ｒ２は、ダイオードＤ１とコンデンサＣ１との間に、抵抗Ｒ１と並列に配置される。抵抗Ｒ２をこのように配置することで、導通指令電圧および遮断指令電圧が第２のスイッチング回路３５に入力されるタイミングを第１のスイッチング回路３４に入力されるタイミングよりも遅らせることができる。これにより、第２のスイッチング回路３５の故障を防止することができる。

　以上、本実施形態および本変形例によれば、モータとインバータ回路との接続を遮断するタイミングを、電源とインバータ回路との接続を遮断するタイミングよりも遅らせる制御の確実性の点で有利なモータ駆動装置を提供することができる。また、安全性が特に要求される電動パワーステアリング装置において、本実施形態および本変形例に係るモータ駆動装置を備えることで安全性の要求に応えうる。

　上記実施形態および変形例では、制御部３１が１つのモータを制御する場合について説明したが制御するモータの数は１つに限定されない。例えば、２つのモータを制御してもよい。図６は、２つのモータを制御する場合のモータ駆動装置の構成を示したブロック図である。この場合、電動パワーステアリング装置１は、モータ２０を２つ有する。

　図２における、電流検出部３２、スイッチング駆動部３３、第１のスイッチング回路３４、第２のスイッチング回路３５、インバータ駆動部３６、インバータ回路３７および遅延回路３８と、モータ２０との組み合わせを第１系統６０１とする。図６のモータ駆動装置６０は、第１系統６０１に加え、第１系統６０１と同様の組み合わせをもつ第２系統６０２を有する。すなわち、第２系統６０２は、電流検出部６２、スイッチング駆動部６３、第１のスイッチング回路６４、第２のスイッチング回路６５、インバータ駆動部６６、インバータ回路６７および遅延回路６８と、モータ２０と、を含む。

　モータ駆動装置６０は、第１制御部６１１および第２制御部６１２を含む制御部６１を有する。第１制御部６１１は第１系統６０１の制御を行い、第２制御部６１２は第２系統６０２の制御を行う。いずれか一方が故障した場合は、他方の系統により電動パワーステアリング装置１の動作を継続することができる。２系統を含むモータ駆動装置を用いることで電動パワーステアリング装置の安全性を向上させることができる。なお、複数系統を含むモータ駆動装置を用いる場合は、各系統が互いに影響を及ぼさない設計をすることが必要となる。

　なお、モータ２０は、３相に限られない。また、上記のモータ駆動装置３０または６０を、パワーステアリング装置以外の装置に適用してもよい。例えば、上記のモータ駆動装置３０または６０によって、自動車等の輸送機器の他の部位に用いられるモータを駆動させてもよい。また、上記のモータ駆動装置３０または６０によって、産業用ロボットなどの自動車以外の機器に搭載されるモータを駆動させてもよい。

　以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

　３０　　モータ駆動装置

　３１　　制御部

　３２　　電流検出部

　３３　　スイッチング駆動部

　３４　　第１のスイッチング回路

　３５　　第２のスイッチング回路

　３６　　インバータ駆動部

　３７　　インバータ回路

　３８　　遅延回路

Claims (11)


  1. 　モータを駆動するモータ駆動装置であって、

    　外部電源から供給された電流を前記モータに供給するインバータ回路と、

    　前記外部電源と前記インバータ回路との間の電流供給経路を導通状態と遮断状態とに切り替える第１のスイッチング回路と、

    　前記インバータ回路と前記モータとの間の電流供給経路を導通状態と遮断状態とに切り替える第２のスイッチング回路と、

    　前記インバータ回路を流れる電流を検出する電流検出部と、

    　前記検出された電流の電流値が所定の範囲に収まらない場合に、導通状態から遮断状態への切り替えを指令する遮断指令電圧を出力する制御部と、

    　前記制御部から入力された遮断指令電圧を昇圧して、昇圧した遮断指令電圧を前記第１のスイッチング回路および前記第２のスイッチング回路に出力するスイッチング駆動部と、を有し、

    　前記第２のスイッチング回路と前記スイッチング駆動部との間において、前記昇圧した遮断指令電圧が前記第２のスイッチング回路に入力されるタイミングを前記第１のスイッチング回路に入力されるタイミングよりも遅らせる遅延回路が配置されている、ことを特徴とするモータ駆動装置。

  2. 　前記モータは複数の相を有し、

    　前記第２のスイッチング回路は、前記モータの相の数と同数の電界効果トランジスタを有し、

    　前記電界効果トランジスタのそれぞれのドレインは、前記モータの各相と接続されていることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。

  3. 　前記遅延回路は、前記電界効果トランジスタのそれぞれのゲートに前記昇圧した遮断指令電圧を一括して出力することを特徴とする請求項２に記載のモータ駆動装置。

  4. 　前記遅延回路は、ひとつの抵抗および前記電界効果トランジスタと同数のコンデンサを有し、

    　前記ひとつの抵抗は、前記コンデンサのそれぞれの一端と直列に接続し、

    　前記ひとつの抵抗と前記コンデンサのそれぞれの一端との接続点は、前記電界効果トランジスタのゲートと接続し、

    　前記コンデンサのそれぞれの他端は、前記電界効果トランジスタのソースと接続している、ことを特徴とする請求項３に記載のモータ駆動装置。

  5. 　前記スイッチング駆動部から前記複数のコンデンサへ向かって順方向のダイオードが前記ひとつの抵抗に並列に接続されていることを特徴とする請求項４に記載のモータ駆動装置。

  6. 　前記遅延回路は、前記電界効果トランジスタのそれぞれのゲートに前記昇圧した遮断指令電圧を個別に出力することを特徴とする請求項２に記載のモータ駆動装置。

  7. 　前記遅延回路は、前記電界効果トランジスタと同数の抵抗および前記電界効果トランジスタと同数のコンデンサを有し、

    　前記抵抗のそれぞれは、前記コンデンサのそれぞれの一端と直列に接続し、

    　前記抵抗と前記コンデンサのそれぞれの一端との接続点は、前記電界効果トランジスタのゲートと接続し、

    　前記コンデンサのそれぞれの他端は、前記電界効果トランジスタのソースと接続している、ことを特徴とする請求項６に記載のモータ駆動装置。

  8. 　前記スイッチング駆動部から前記コンデンサへ向かって順方向のダイオードが前記抵抗のそれぞれに並列に接続されていることを特徴とする請求項７に記載のモータ駆動装置。

  9. 　前記第１のスイッチング回路は、前記外部電源から順に、互いのソースで直列接続されている一対の電界効果トランジスタを有することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のモータ駆動装置。

  10. 　前記スイッチング駆動部は、前記第一対の電界効果トランジスタのドレイン間の電位差が所定の閾値を超える場合に前記電流供給経路を導通状態から遮断状態への切り替えを指令する遮断指令電圧を出力する、ことを特徴とする請求項９に記載のモータ駆動装置。

  11. 　請求項１から１０のいずれか１項に記載のモータ駆動装置により駆動されるモータを備えることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
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