WO2019151308A1 - 電力変換装置、駆動装置およびパワーステアリング装置 - Google Patents

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

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WO2019151308A1
WO2019151308A1 PCT/JP2019/003121 JP2019003121W WO2019151308A1 WO 2019151308 A1 WO2019151308 A1 WO 2019151308A1 JP 2019003121 W JP2019003121 W JP 2019003121W WO 2019151308 A1 WO2019151308 A1 WO 2019151308A1
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inverter
neutral point
power
circuit
power supply
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PCT/JP2019/003121
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English (en)
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北村　高志
弘光 大橋
香織 鍋師
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日本電産株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D5/00—Power-assisted or power-driven steering
    • B62D5/04—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements 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
    • H02P27/06—Arrangements 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

Definitions

  • the present invention relates to a power conversion device, a drive device, and a power steering device.
  • an inverter drive system that converts electric power of a motor by two inverters is known.
  • Patent Document 1 discloses a power conversion device having two inverter units.
  • a failure of a switching element is detected by a failure detection means.
  • the on / off operation control of the switching element is switched from normal time control to failure time control to drive the rotating electric machine in order to continue driving the rotating electric machine (motor).
  • driving system abnormality refers to various problems such as abnormalities in the power supply only, abnormalities in the control circuit only, abnormalities in both the power supply and the control circuit, and the state where the control unit has stopped operating due to the abnormal power supply. Includes abnormal conditions.
  • the present invention provides a power conversion device, a drive device, and a power steering device that can cause one of the two inverters to function as a neutral point even when one of the two inverters becomes inoperable due to an abnormality in the drive system. For the purpose.
  • One aspect of a power conversion device is a power conversion device that converts power from a power source into power supplied to a motor having n-phase (n is an integer of 3 or more) windings.
  • a first inverter connected to one end of the line; a second inverter connected to the other end of the one end; a power supply end located on the power supply side of the first inverter; and a ground side of the first inverter.
  • a first neutral point relay circuit which is connected to the ground end and which switches connection / disconnection between the power supply end and the ground end; a power supply end located on the power supply side of the second inverter; and the second inverter
  • a second neutral point relay circuit that is connected to a ground end located on the ground side and switches connection / disconnection between the power supply end and the ground end, the first inverter, and Serial comprises a first control circuit for controlling the second neutral point relay circuit, and a second control circuit for controlling the second inverter and the first neutral point relay circuit.
  • mode of the drive device which concerns on this invention is equipped with the said power converter device and the motor connected to the said power converter device, and the electric power converted by the said power converter device is supplied.
  • An aspect of the power steering apparatus includes the power conversion apparatus, a motor to which power converted by the power conversion apparatus is supplied, and a power steering mechanism driven by the motor.
  • the one side can function as a neutral point.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a block configuration of a motor drive unit according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing a circuit configuration of the motor drive unit according to the present embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing current values flowing in the coils of the respective phases of the motor in a normal state.
  • FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a hardware configuration of the motor drive unit.
  • FIG. 5 is a diagram schematically illustrating a hardware configuration of the first mounting board and the second mounting board.
  • FIG. 6 is a diagram schematically showing a circuit configuration according to a modification of the present embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram schematically showing a circuit configuration according to another modification of the present embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a block configuration of a motor drive unit according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing a circuit configuration of the motor drive unit according to the present embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing current values flowing in
  • FIG. 8 is a diagram schematically showing a circuit configuration according to still another modification of the present embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram schematically illustrating a hardware configuration according to a modified example having different circuit mounting structures.
  • FIG. 10 is a diagram schematically showing a hardware configuration of the mounting board according to the modification shown in FIG.
  • FIG. 11 is a diagram schematically illustrating a hardware configuration of a mounting board according to a modified example having a different board configuration.
  • FIG. 12 is a diagram schematically illustrating a hardware configuration of a mounting board according to another modified example having a different board configuration.
  • FIG. 13 is a diagram schematically showing the configuration of the power steering apparatus according to the present embodiment.
  • FIG. 14 is a diagram schematically illustrating a circuit configuration according to a second modification of the present embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a block configuration of a motor drive unit 1000 according to the present embodiment.
  • the motor drive unit 1000 includes power supply apparatuses 101 and 102, a motor 200, and control circuits 301 and 302.
  • a motor driving unit 1000 including a motor 200 as a component will be described.
  • the motor drive unit 1000 including the motor 200 corresponds to an example of the drive device of the present invention.
  • the motor drive unit 1000 may be an apparatus for driving the motor 200 that does not include the motor 200 as a component.
  • the motor drive unit 1000 that does not include the motor 200 corresponds to an example of the power conversion device of the present invention.
  • the first power supply apparatus 101 includes a first inverter 111, a second neutral point switch 131, a current sensor 401, and a voltage sensor 411.
  • the second power supply apparatus 102 includes a second inverter 112, a first neutral point switch 132, a current sensor 402, and a voltage sensor 412. *
  • the motor drive unit 1000 can convert the power from the power source (reference numerals 403 and 404 in FIG. 2) into the power to be supplied to the motor 200 by the two power supply devices 101 and 102.
  • the first and second inverters 111 and 112 can convert DC power into three-phase AC power that is a pseudo sine wave of U phase, V phase, and W phase.
  • the first inverter 111 is connected to one end 210 of the coil of the motor 200, and the second inverter 112 is connected to the other end 220 of the coil of the motor 200.
  • connection between components (components) means electrical connection unless otherwise specified.
  • the motor 200 is, for example, a three-phase AC motor.
  • the motor 200 has U-phase, V-phase, and W-phase coils.
  • the winding method of the coil is, for example, concentrated winding or distributed winding.
  • the control circuits 301 and 302 include microcontrollers 341 and 342, as will be described in detail later.
  • the first control circuit 301 controls the first power supply apparatus 101 based on input signals from the current sensor 401 and the angle sensor 321.
  • the second control circuit 302 controls the second power supply apparatus 102 based on input signals from the current sensor 402 and the angle sensor 322.
  • a control method of the power supply apparatuses 101 and 102 in the control circuits 301 and 302 for example, a control method selected from vector control and direct torque control (DTC) is used.
  • DTC direct torque control
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing a circuit configuration of the motor drive unit 1000 according to the present embodiment. However, FIG. 2 mainly shows the circuit configuration of the power supply apparatuses 101 and 102. *
  • the motor drive unit 1000 is connected to a power source.
  • the power supply includes a first power supply 403 and a second power supply 404 that are independent of each other.
  • the power supplies 403 and 404 generate a predetermined power supply voltage (for example, 12V).
  • a DC power supply is used as the power supplies 403 and 404.
  • the power supplies 403 and 404 may be AC-DC converters, DC-DC converters, or batteries (storage batteries).
  • the motor drive unit 1000 may include a power source therein. *
  • the motor drive unit 1000 includes coils 103 and 104, a capacitor 105, separation switches 106 and 107, a first inverter 111, a second inverter 112, a first neutral point switch 132, a second neutral point switch 131, a motor 200, and a control. Circuits 301 and 302 are provided. *
  • the motor drive unit 1000 includes a first system corresponding to the one end 210 side of the coil (winding) of the motor 200 and a second system corresponding to the other end 220 side of the coil (winding) of the motor 200.
  • the first system includes a first inverter 111, a first neutral point switch 132, and a first control circuit 301.
  • the second system includes a second inverter 112, a second neutral point switch 131, and a second control circuit 302.
  • the first system inverter 111 and the control circuit 301 are supplied with power from the first power supply 403.
  • the second system inverter 112 and the control circuit 302 are supplied with power from the second power supply 404. Since the drive system including the power supply and the control circuit is made redundant including the power supply, as described later, even when the power supply in one system is abnormal, the power supply is continued by the other system. *
  • the power supply apparatuses 101 and 102 have a configuration in which part of the above-described two systems is straddled.
  • the first power supply apparatus 101 includes a first system inverter 111, a second system neutral point switch 131, and a first system control circuit 301.
  • the first system inverter 111 and the second system neutral point switch 131 are controlled by the first system control circuit 301.
  • the second power supply apparatus 102 includes a second system inverter 112, a first system first neutral point switch 132, and a second system control circuit 302.
  • the second system inverter 112 and the first system first neutral point switch 132 are controlled by the second system control circuit 302. *
  • Coils 103 and 104 are provided between the power supplies 403 and 404 and the inverters 111 and 112.
  • the coils 103 and 104 function as a noise filter and smooth high frequency noise included in the voltage waveform supplied to each of the inverters 111 and 112.
  • the coils 103 and 104 smooth the high frequency noise to prevent the high frequency noise generated by the inverters 111 and 112 from flowing out to the power sources 403 and 404.
  • a capacitor 105 is connected to the power supply terminals of the inverters 111 and 112.
  • the capacitor 105 is a so-called bypass capacitor and suppresses voltage ripple.
  • the capacitor 105 is, for example, an electrolytic capacitor, and the capacity and the number to be used are appropriately determined according to the design specifications. *
  • Separation switches 106 and 107 are provided between the coils 103 and 104 and the inverters 111 and 112.
  • the separation switches 106 and 107 can switch connection / disconnection between the power supplies 403 and 404 and the inverters 111 and 112.
  • the first inverter 111 includes a bridge circuit having three legs. Each leg includes a high-side switch element connected between the power supply 403 and the motor 200 and a low-side switch element connected between the motor 200 and the ground. In other words, the first inverter 111 includes three high-side switch elements that switch connection / disconnection between one end 210 of the coil (winding) of the motor 200 and the power supply 403 for each of the three phases. In addition, the first inverter 111 includes three low-side switch elements that switch connection / disconnection between the one end 210 of the coil of the motor 200 and the ground for each of the three phases. *
  • the U-phase leg includes a high-side switch element 113H and a low-side switch element 113L.
  • the V-phase leg has a high-side switch element 114H and a low-side switch element 114L.
  • the W-phase leg has a high-side switch element 115H and a low-side switch element 115L.
  • the switch element for example, a field effect transistor (MOSFET or the like) or an insulated gate bipolar transistor (IGBT) is used.
  • MOSFET field effect transistor
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • the first inverter 111 includes, for example, shunt resistors 113R, 114R, and 115R as current sensors 401 (see FIG. 1) for detecting currents flowing through the windings of the U-phase, V-phase, and W-phase, respectively. Have on each leg.
  • the current sensor 401 includes a current detection circuit (not shown) that detects a current flowing through each shunt resistor.
  • a shunt resistor can be connected between the low side switch element and ground at each leg.
  • the resistance value of the shunt resistor is, for example, about 0.5 m ⁇ to 1.0 m ⁇ . *
  • the number of shunt resistors may be other than three.
  • two shunt resistors 113R and 114R for U phase and V phase, two shunt resistors 114R and 115R for V phase and W phase, or two shunt resistors 113R and 115R for U phase and W phase are used. May be.
  • the number of shunt resistors to be used and the arrangement of the shunt resistors are appropriately determined in consideration of the product cost and design specifications. *
  • the second inverter 112 includes a bridge circuit having three legs.
  • the second inverter 112 includes three high-side switch elements that switch connection / disconnection between the other end 220 of the coil (winding) of the motor 200 and the power supply 404 for each of the three phases.
  • the second inverter 112 includes three low-side switch elements that switch connection / disconnection between the other end 220 of the coil of the motor 200 and the ground for each of the three phases.
  • the U-phase leg has a high-side switch element 116H and a low-side switch element 116L.
  • the V-phase leg has a high-side switch element 117H and a low-side switch element 117L.
  • the W-phase leg includes a high-side switch element 118H and a low-side switch element 118L.
  • the second inverter 112 includes, for example, shunt resistors 116R, 117R, and 118R. *
  • the first inverter 111 is connected to one end 210 of the coil of the motor 200. More specifically, the U-phase leg of the first inverter 111 (that is, the node between the high-side switch element and the low-side switch element) is connected to one end 210 of the U-phase coil of the motor 200. The V-phase leg of the first inverter 111 is connected to one end 210 of the V-phase coil. The W-phase leg of the first inverter 111 is connected to one end 210 of the W-phase coil. *
  • the second inverter 112 is connected to the other end 220 of the coil of the motor 200. More specifically, the U-phase leg of the second inverter 112 is connected to the other end 220 of the U-phase coil of the motor 200. The V-phase leg of the second inverter 112 is connected to the other end 220 of the V-phase coil. The W-phase leg of the second inverter 112 is connected to the other end 220 of the W-phase coil. *
  • the first neutral point switch 132 is connected to the power supply terminal E1H located on the power supply 403 side in the first inverter 111 and the ground terminal E1L located on the ground side in the first inverter 111.
  • the first neutral point switch 132 functions as an example of a first neutral point relay circuit that switches connection / disconnection between the power supply terminal E1H and the ground terminal E1L. Switching between connection / disconnection of the power supply terminal E1H and the ground terminal E1L in the first neutral point switch 132 can be performed by a smaller number of switching elements than the number of phases of the motor 200 (here, three phases as an example). Therefore, the circuit scale is smaller than the conventional structure. *
  • the first neutral point switch 132 includes three power supply sides of the high-side switch elements 113H, 114H, and 115H and a ground side of the three low-side switch elements 113L, 114L, and 115L with respect to the first inverter 111. Can be switched with one element.
  • the second neutral point switch 131 is connected to the power supply terminal E2H located on the power supply 404 side in the second inverter 112 and the ground terminal E2L located on the ground side in the second inverter 112.
  • the second neutral point switch 131 functions as an example of a second neutral point relay circuit that switches connection / disconnection between the power supply terminal E2H and the ground terminal E2L. Switching between connection / disconnection of the power supply terminal E2H and the ground terminal E2L in the second neutral point switch 131 can be performed by a smaller number of switch elements than the number of phases of the motor 200 (here, three phases as an example). Therefore, the circuit scale is smaller than the conventional structure. *
  • the second neutral point switch 131 includes three high-side switch elements 116H, 117H, and 118H on the power source side and three low-side switch elements 116L, 117L, and 118L on the ground side of the second inverter 112. Can be switched with one element.
  • the control circuits 301 and 302 include, for example, power supply circuits 311 and 312, angle sensors 321 and 322, input circuits 331 and 332, microcontrollers 341 and 342, drive circuits 351 and 352, and ROMs 361 and 362. .
  • the control circuits 301 and 302 are connected to the power supply apparatuses 101 and 102.
  • the control circuits 301 and 302 control the power supply apparatuses 101 and 102.
  • the first control circuit 301 controls the first inverter 111 and the second neutral point switch 132.
  • the second control circuit 302 controls the second inverter 112 and the first neutral point switch 131. *
  • the control circuits 301 and 302 can realize closed-loop control by controlling the target rotor position (rotation angle), rotation speed, current, and the like.
  • the rotation speed is obtained, for example, by differentiating the rotation angle (rad) with time, and is represented by the number of rotations (rpm) at which the rotor rotates per unit time (for example, 1 minute).
  • the control circuits 301 and 302 can also control the target motor torque.
  • the control circuits 301 and 302 may include a torque sensor for torque control, but torque control is possible even if the torque sensor is omitted. Further, a sensorless algorithm may be provided instead of the angle sensor.
  • the two control circuits 301 and 302 synchronize their control operations by performing control in synchronization with the rotation of the motor.
  • the power supply circuits 311 and 312 generate DC voltages (for example, 3V and 5V) necessary for the respective blocks in the control circuits 301 and 302. *
  • the angle sensors 321 and 322 are, for example, resolvers or Hall ICs.
  • the angle sensors 321 and 322 are also realized by a combination of an MR sensor having a magnetoresistive (MR) element and a sensor magnet.
  • the angle sensors 321 and 322 detect the rotation angle of the rotor of the motor 200, and output a rotation signal representing the detected rotation angle to the microcontrollers 341 and 342.
  • the angle sensors 321 and 322 may not be required. *
  • the voltage sensors 411 and 412 detect voltages at both ends of the neutral point switches 131 and 132 connected to the inverters 111 and 112 and output the detected voltage values to the input circuits 331 and 332.
  • the voltage sensor 411 connected to the control circuit 301 of the first system detects the voltage at both ends of the inverter 112 of the second system via the wiring of the second neutral point switch 131.
  • the voltage sensor 412 connected to the control circuit 302 of the second system detects the voltage at both ends of the inverter 111 of the first system via the wiring of the first neutral point switch 132.
  • the input circuits 331 and 332 receive motor current values detected by the current sensors 401 and 402 (hereinafter referred to as “actual current values”) and voltage values detected by the voltage sensors 411 and 412.
  • the input circuits 331 and 332 convert the actual current value and voltage value level to the input levels of the microcontrollers 341 and 342 as necessary, and output the actual current value and voltage value to the microcontrollers 341 and 342, respectively.
  • the input circuits 331 and 332 are analog-digital conversion circuits. *
  • the microcontrollers 341 and 342 receive the rotor rotation signals detected by the angle sensors 321 and 322 and also receive the actual current value and voltage value output from the input circuits 331 and 332.
  • the microcontrollers 341 and 342 generate a PWM signal by setting a target current value according to the actual current value and the rotation signal of the rotor, and output the generated PWM signal to the drive circuits 351 and 352.
  • the microcontrollers 341 and 342 generate PWM signals for controlling the switching operation (turn-on or turn-off) of each switch element in the inverters 111 and 112 of the power supply apparatuses 101 and 102.
  • microcontrollers 341 and 342 can generate a signal for determining the on / off state of the neutral point switches 131 and 132 according to the received voltage value.
  • the drive circuits 351 and 352 are, for example, gate drivers.
  • the drive circuits 351 and 352 generate a control signal (for example, a gate control signal) for controlling the switching operation of each switch element in the first and second inverters 111 and 112 according to the PWM signal, and generate the generated control signal for each switch element.
  • the drive circuits 351 and 352 turn on / off the neutral point switches 131 and 132 in accordance with signals from the microcontrollers 341 and 342 that determine the on / off state of the neutral point switches 131 and 132. It is possible to generate a control signal and apply the generated control signal to the neutral point switches 131 and 132.
  • the microcontrollers 341 and 342 may have the functions of the drive circuits 351 and 352. In that case, the drive circuits 351 and 352 are omitted. *
  • the ROMs 361 and 362 are, for example, a writable memory (for example, PROM), a rewritable memory (for example, a flash memory), or a read-only memory.
  • the ROMs 361 and 362 store a control program including a command group for causing the microcontrollers 341 and 342 to control the power supply apparatuses 101 and 102.
  • the control program is temporarily expanded in a RAM (not shown) at the time of booting. *
  • Control of the power supply apparatuses 101 and 102 includes normal and abnormal control.
  • the control circuits 301 and 302 (mainly the microcontrollers 341 and 342) can switch the control of the power supply apparatuses 101 and 102 from normal control to abnormal control.
  • the on / off state of the first neutral point switch 132 and the second neutral point switch 131 is determined according to the type of control.
  • a specific example of the operation of the motor drive unit 1000 will be described, and a specific example of the operation of the power supply apparatus 100 will be mainly described. (Control during normal operation)
  • Normal indicates a state in which both of the two power supplies 403 and 404, the two inverters 111 and 112, and the two control circuits 301 and 302 operate correctly.
  • control circuits 301 and 302 turn off the first neutral point switch 132 and turn off the second neutral point switch 131. Thereby, the power supply terminal E1H and the ground terminal E1L in the first inverter 111 are disconnected, and the power supply terminal E2H and the ground terminal E2L in the second inverter 112 are disconnected.
  • the control circuits 301 and 302 drive the motor 200 by performing three-phase energization control using both the first inverter 111 and the second inverter 112.
  • the control circuits 301 and 302 can perform three-phase energization control by switching control of the switch element of the first inverter 111 and the switch element of the second inverter 112 with a duty that varies periodically.
  • the duty cycle variation in each of the first inverter 111 and the second inverter 112 can be switched by the control circuits 301 and 302.
  • FIG. 3 is a diagram showing current values flowing in the coils of the respective phases of the motor 200 in a normal state. *
  • FIG. 3 shows currents obtained by plotting current values flowing in the U-phase, V-phase, and W-phase coils of the motor 200 when the power supply devices 101 and 102 are controlled according to the normal three-phase energization control.
  • a waveform (sine wave) is illustrated.
  • the horizontal axis in FIG. 3 represents the motor electrical angle (deg), and the vertical axis represents the current value (A).
  • I pk represents the maximum current value (peak current value) of each phase.
  • the power supply devices 101 and 102 can drive the motor 200 using, for example, a rectangular wave in addition to the sine wave illustrated in FIG.
  • Table 1 shows the value of current flowing through the terminals of each inverter for each electrical angle in the sine wave of FIG.
  • Table 1 specifically shows the current value at every electrical angle of 30 ° flowing through the connection point between the first inverter 111 and one end 210 of each of the U-phase, V-phase, and W-phase coils.
  • Table 1 shows current values for each electrical angle of 30 ° flowing through the connection points between the second inverter 112 and the other ends 220 of the U-phase, V-phase, and W-phase coils.
  • the direction of current flowing from one end 210 to the other end 220 of the motor 200 is defined as a positive direction.
  • the direction of current flowing from the other end 220 of the motor 200 to the one end 210 is defined as a positive direction. Therefore, the phase difference between the current of the first inverter 111 and the current of the second inverter 112 is 180 °.
  • the magnitude of the current value I 1 is [(3) 1/2 / 2] * I pk
  • the magnitude of the current value I 2 is I pk / 2.
  • the current of the U-phase coil is zero.
  • a current of magnitude I 1 flows from the second inverter 112 to the first inverter 111 through the V-phase coil, and a magnitude I from the first inverter 111 to the second inverter 112 flows through the W-phase coil. 1 current flows.
  • the coils of the U-phase current of magnitude I 2 flows through the second inverter 112 from the first inverter 111, the coil of the V phase magnitude I from the second inverter 112 to the first inverter 111 pk of current flows, the coil of the W-phase current having a magnitude I 2 flows from the first inverter 111 to the second inverter 112.
  • a current of magnitude I 1 flows from the first inverter 111 to the second inverter 112 through the U-phase coil, and a magnitude I from the second inverter 112 to the first inverter 111 flows through the V-phase coil. 1 current flows.
  • the current of the W-phase coil becomes zero.
  • a current of magnitude I pk flows from the first inverter 111 to the second inverter 112 through the U-phase coil, and a magnitude I from the second inverter 112 to the first inverter 111 flows through the V-phase coil.
  • second current flows to the coil of the W-phase current having a magnitude I 2 flows from the second inverter 112 to the first inverter 111.
  • a current of magnitude I 1 flows from the first inverter 111 to the second inverter 112 through the U-phase coil, and a magnitude I from the second inverter 112 to the first inverter 111 flows through the W-phase coil. 1 current flows.
  • the current of the V-phase coil is zero.
  • a current of magnitude I 2 flows from the first inverter 111 to the second inverter 112 through the U-phase coil, and a magnitude I from the first inverter 111 to the second inverter 112 flows through the V-phase coil. 2 current flows, and a current of magnitude I pk flows from the second inverter 112 to the first inverter 111 in the W-phase coil.
  • the current of the U-phase coil is zero.
  • a current of magnitude I 1 flows from the first inverter 111 to the second inverter 112 through the V-phase coil, and a magnitude I from the second inverter 112 to the first inverter 111 flows through the W-phase coil. 1 current flows.
  • a current of magnitude I 2 flows from the second inverter 112 to the first inverter 111 through the U-phase coil, and a magnitude I from the first inverter 111 to the second inverter 112 flows through the V-phase coil.
  • pk of current flows, the coil of the W-phase current having a magnitude I 2 flows from the second inverter 112 to the first inverter 111.
  • a current of magnitude I 1 flows from the second inverter 112 to the first inverter 111 through the U-phase coil, and a magnitude I from the first inverter 111 to the second inverter 112 flows through the V-phase coil. 1 current flows.
  • the current of the W-phase coil becomes zero.
  • a current of magnitude I pk flows from the second inverter 112 to the first inverter 111 through the U-phase coil, and a magnitude I from the first inverter 111 to the second inverter 112 flows through the V-phase coil. 2 flows, and a current of magnitude I 2 flows from the first inverter 111 to the second inverter 112 in the W-phase coil.
  • a current of magnitude I 1 flows from the second inverter 112 to the first inverter 111 through the U-phase coil, and a magnitude I from the first inverter 111 to the second inverter 112 flows through the W-phase coil. 1 current flows.
  • the current of the V-phase coil becomes zero.
  • a current of magnitude I 2 flows from the second inverter 112 to the first inverter 111 through the U-phase coil, and a magnitude I from the second inverter 112 to the first inverter 111 flows through the V-phase coil. 2 current flows, and a current of magnitude I pk flows from the first inverter 111 to the second inverter 112 in the W-phase coil.
  • the sum of the currents flowing through the three-phase coils in consideration of the current direction is “0” for each electrical angle.
  • the control circuits 301 and 302 can also perform control such that the sum of currents is a value other than “0”. (Control in case of abnormality)
  • Abnormality refers to a state in which one or more of the two power supplies 403 and 404, the two inverters 111 and 112, and the two control circuits 301 and 302 have failed.
  • the abnormality is roughly classified into an abnormality of the first system and an abnormality of the second system.
  • the abnormality of each system includes an abnormality due to a failure of the inverters 111 and 112 and an abnormality of the drive system.
  • drive system abnormality refers to various abnormalities such as an abnormality in the power supply only, an abnormality in the control circuit only, an abnormality in both the power supply and the control circuit, and a state in which the control unit is stopped due to the power supply abnormality. Includes state. Further, the failure of the inverters 111 and 112 includes disconnection, short circuit, switch element failure, and the like in the inverter circuit.
  • the control circuits 301 and 302 analyze the voltage values detected by the voltage sensors 411 and 412 so that the system to which the two systems belong. An abnormality in the other party's system is detected.
  • the control circuits 301 and 302 can check the voltage at the counterpart inverters 111 and 112 via the voltage sensors 411 and 412 and the neutral point switches 131 and 132 under their control.
  • the neutral point switches 131 and 132 are connected to the inverters 111 and 112 via the DC bus (reference numerals 230 and 240 in FIG. 5), and the voltage sensors 411 and 412 detect the voltage of the DC bus. .
  • the control circuits 301 and 302 confirm the voltage of the DC bus. That is, the first mounting board 1001 and the second mounting board 1002 are connected between the connection line connecting the first inverter 111 and the first neutral relay circuit 122 across the board and the second inverter 112 across the board. Are connected to the second neutral point relay circuit 121, and the first control circuit 301 and the second control circuit 302 detect the voltage of the connection line.
  • the connection line indicates a DC bus.
  • the microcontrollers 341 and 342 can also detect an abnormality by analyzing a difference between the actual current value of the motor and the target current value.
  • the control circuits 301 and 302 are not limited to these methods, and widely known methods relating to abnormality detection can be used. *
  • the control circuits 301 and 302 switch the control of the power supply apparatuses 101 and 102 from normal control to abnormal control.
  • the timing for switching control from normal to abnormal is about 10 msec to 30 msec after the abnormality is detected.
  • control circuits 301 and 302 When an abnormality occurs, the control circuits 301 and 302 turn on the neutral point switches 131 and 132 for the counterpart system. Note that the control circuits 301 and 302 may turn on the neutral point switches 131 and 132 even in a specific case other than when an abnormality occurs.
  • the separation switches 106 and 107 are automatically turned off when the control signal is stopped. For this reason, when the control circuits 301 and 302 become inoperable, the separation switches 106 and 107 of the system incapable of operating are turned off. *
  • the first control circuit 301 detects an abnormality
  • the first control circuit 301 turns on the second neutral point switch 131.
  • the separation switch 107 on the second system side is turned off as a result of whether the second control circuit 302 is turned off.
  • the first control circuit 301 detects an abnormality, an abnormality has occurred in the second system.
  • the second system abnormality is a drive system abnormality
  • the second control circuit 302 has lost control of the second inverter 112 (a state in which the second control circuit 302 has failed). Yes.
  • the first control circuit 301 controls the second neutral point switch 131, a neutral point is formed on the second system side. Then, power supply to the motor 200 is continued by the inverter 111 on the first system side.
  • the second control circuit 302 When the second control circuit 302 detects an abnormality, the second control circuit 302 turns on the first neutral point switch 132 and turns off the separation switch 106 on the first system side.
  • the parasitic diodes of the high-side switch element and the low-side switch element and the first neutral point switch 132 are used.
  • One ends 210 of the three-phase coils of the motor 200 are connected to each other. Therefore, the coil of the motor 200 is Y-connected.
  • the first neutral point switch 132 functions as a neutral point.
  • the first neutral point switch 132 that functions as a neutral point is insulated from the power source 403 when the separation switch 106 on the first system side is turned off.
  • the second control circuit 302 can energize the coil of the motor 200 by controlling the second inverter 112 by three-phase energization.
  • the second control circuit 302 detects an abnormality, an abnormality has occurred in the first system.
  • the abnormality in the first system is an abnormality in the drive system
  • the first control circuit 301 is in a state where it has lost control of the first inverter 111 (a state where the first control circuit 301 has failed). Yes.
  • the second control circuit 302 controls the first neutral point switch 132, a neutral point is formed on the first system side. Then, power supply to the motor 200 is continued by the inverter 112 on the second system side.
  • control circuits 301 and 302 are configured to perform switching operations in the switching elements of the inverters 111 and 112, for example, by PWM control that can obtain a waveform similar to the current waveform shown in FIG. To control. *
  • Table 2 shows the value of the current flowing through the terminals of the second inverter 112 when the second inverter 112 is controlled by, for example, the three-phase energization control so that a waveform similar to the current waveform shown in FIG. Is illustrated.
  • Table 2 specifically shows the current value at every electrical angle of 30 ° flowing through the connection between the second inverter 112 and the other end 220 of each of the U-phase, V-phase, and W-phase coils. The definition of the current direction is as described above. *
  • a current of magnitude I 2 flows from the first inverter 111 to the second inverter 112 in the U-phase coil, and a magnitude of the current from the second inverter 112 to the first inverter 111 flows in the V-phase coil.
  • the current flow I pk the coil of the W-phase current having a magnitude I 2 flows from the first inverter 111 to the second inverter 112.
  • a current of magnitude I 1 flows from the first inverter 111 to the second inverter 112 through the U-phase coil, and a magnitude I from the second inverter 112 to the first inverter 111 flows through the V-phase coil. 1 current flows.
  • the current of the W-phase coil is “0”. The sum of the current flowing into the neutral point and the current flowing out of the neutral point is always “0” for each electrical angle.
  • the inverters 111 and 112 are set to the neutral point by a control method described in, for example, JP-A-2014-192950. Can be done.
  • a special gate driver is required in which the ON voltage of the control signal is different between when normal and when abnormal.
  • the neutral point switches 131 and 132 only need to be turned on when there is an abnormality, so that only one on-voltage of the control signal is required, and no special driver is required.
  • FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a hardware configuration of the motor drive unit 1000.
  • the motor drive unit 1000 includes the motor 200, the first mounting board 1001, the second mounting board 1002, the housing 1003, and the connectors 1004 and 1005 described above as hardware configurations. *
  • one end 210 and the other end 220 of the coil protrude and extend toward the mounting boards 1001 and 1002.
  • One end 210 of the coil is connected to the second mounting substrate 1001 and penetrates through the second mounting substrate 1001 and is connected to the first mounting substrate 1001. Further, the other end 220 of the coil is connected only to the second mounting substrate 1001. *
  • the first mounting substrate 1001 and the second mounting substrate 1002 face each other.
  • the rotating shaft of the motor 200 extends in the direction in which the substrate surfaces face each other.
  • the first mounting board 1001, the second mounting board 1002, and the motor 200 are housed in the housing 1003 so that their positions are fixed.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing the hardware configuration of the first mounting board 1001 and the second mounting board 1002. *
  • a first inverter 111 and a second neutral point switch 131 are mounted on the first mounting board 1001. Further, a second inverter 112 and a first neutral point switch 132 are mounted on a second mounting board 1002 different from the first mounting board 1001. Since the circuits of each system made redundant in the first system and the second system are distributed to two mounting boards, it is possible to efficiently arrange elements with the same circuit scale on the two mounting boards. Become. *
  • the first mounting board 1001 and the second mounting board 1002 include a DC bar 230 that connects the first inverter 111 and the first neutral point switch 132 across the boards, and a second inverter 112 across the boards.
  • a DC bar 240 for connecting the second neutral point switch 131 is provided.
  • a bus bar, a pin, or the like may be provided instead of the DC bar.
  • a first control circuit 301 is also mounted on the first mounting substrate 1001.
  • a second control circuit 302 is also mounted on the second mounting substrate 1002. Since the control circuits 301 and 302 are mounted on the same mounting board as the inverters 111 and 112 and the neutral point switches 131 and 132 to be controlled by the control circuits 301 and 302, the wiring for control is the same board. Fits in. Therefore, efficient element arrangement is possible. *
  • FIG. 6 is a diagram schematically showing a circuit configuration according to a modification of the present embodiment.
  • neutral point relay circuits 121 and 122 are provided instead of the neutral point switches 131 and 132.
  • the first neutral point relay circuit 122 is connected to the power supply terminal E1H located on the power supply 403 side in the first inverter 111 and the ground terminal E1L located on the ground side in the first inverter 111.
  • the first neutral point relay circuit 122 can switch connection / disconnection between the power supply terminal E1H and the ground terminal E1L.
  • the first neutral point relay circuit 122 includes a first neutral point relay 123 and a backup relay 124. *
  • the first neutral point relay 123 is connected to or disconnected from the power supply side of the three high-side switch elements 113H, 114H and 115H and the ground side of the three low-side switch elements 113L, 114L and 115L with respect to the first inverter 111. Can be switched by one element.
  • the backup relay 124 is connected in parallel to the first neutral point relay 123. Since the switch operation is backed up by the backup relay 124 when the first neutral point relay 123 is in an OFF failure, the first neutral point relay circuit 122 can continue normal operation.
  • the high-side switch elements 113H, 114H, and 115H, the low-side switch elements 113L, 114L, and 115L, and the first neutral-point relay 123 in each circuit of the first inverter 111 and the first neutral point relay circuit 122 are semiconductors having a freewheeling diode. It is a switch element. And in the 1st inverter 111 and the 1st neutral point relay 123, a free-wheeling diode turns to a reverse direction.
  • the first neutral point relay circuit 122 including the first neutral point relay 123 connected in such a direction can switch the formation / non-formation of the neutral point. *
  • the second neutral point relay circuit 121 is connected to the power supply terminal E2H located on the power supply 404 side in the second inverter 112 and the ground terminal E2L located on the ground side in the second inverter 112.
  • the second neutral point relay circuit 121 can switch connection / disconnection between the power supply terminal E2H and the ground terminal E2L.
  • the second neutral point relay circuit 121 includes a second neutral point relay 125 and a backup relay 126. *
  • the second neutral point relay 125 is connected to or disconnected from the power supply side of the three high side switch elements 116H, 117H and 118H and the ground side of the three low side switch elements 116L, 117L and 118L with respect to the second inverter 112. Can be switched by one element.
  • the backup relay 126 is connected in parallel to the second neutral point relay 125. Since the switch operation is backed up by the backup relay 126 when the second neutral point relay 125 is in an off failure, the second neutral point relay circuit 121 can continue normal operation. *
  • the high-side switch elements 116H, 117H, and 118H, the low-side switch elements 116L, 117L, and 118L, and the second neutral-point relay 125 in each circuit of the second inverter 112 and the second neutral point relay circuit 121 are semiconductors having a freewheeling diode. It is a switch element. And in the 2nd inverter 112 and the 2nd neutral point relay 125, a free-wheeling diode turns to a reverse direction.
  • the second neutral point relay circuit 121 including the second neutral point relay 125 connected in such a direction can switch the formation / non-formation of the neutral point.
  • FIG. 7 is a diagram schematically showing a circuit configuration according to another modification of the present embodiment. *
  • the backup relay is connected in series with the neutral point relay.
  • the backup relay 124 of the first neutral point relay circuit 122 is connected to the power supply terminal E1H and the ground terminal E1L in parallel with the first neutral point relay 123.
  • the backup relay 126 of the second neutral point relay circuit 121 is connected to the power supply terminal E2H and the ground terminal E2L in parallel with the second neutral point relay 125.
  • FIG. 8 is a diagram schematically showing a circuit configuration according to still another modification of the present embodiment. *
  • the two power supplies 403 and 404 are independent from each other but have a common ground.
  • the separation switches 108 and 109 are provided between the inverters 111 and 112 and the ground.
  • the separation switches 108 and 109 of the system in which the abnormality has occurred are turned off, and the current path from the inverter 111 to the ground is interrupted. By such interruption, a neutral point is formed in the system in which an abnormality has occurred, and three-phase energization control by a normal system becomes possible.
  • FIG. 8 a first power supply 403 for the first inverter 111 and a second power supply 404 for the second inverter 112 are shown as an example. Since the separation switches 108 and 109 are provided between the inverters 111 and 112 and the ground, the motor drive unit 1000 may be connected to a single power source common to the first inverter 111 and the second inverter 112.
  • FIG. 9 is a diagram schematically showing a hardware configuration according to a modified example having a different circuit mounting structure. *
  • FIG. 10 is a diagram schematically showing a hardware configuration of the mounting board according to the modification shown in FIG. *
  • the one end 210 and the other end 220 of the coil are connected to the two mounting boards 1001 and 1002 in a concentrated manner on an offset portion on the board. Then, the inverters 111 and 112, the neutral point switches 131 and 132, and the control circuits 301 and 302 on the respective mounting boards 1001 and 1002 are arranged from one place where the one end 210 and the other end 220 of the coil are gathered to the other. It is mounted side by side in this order toward the place. *
  • FIG. 11 is a diagram schematically showing a hardware configuration of a mounting board according to a modified example having a different board configuration. *
  • one double-sided mounting substrate 1006 is provided.
  • the first inverter 111 and the second neutral point switch 131 are mounted on one of the front and back surfaces of the double-sided mounting substrate 1006.
  • the second inverter 112 and the first neutral point switch 132 are mounted on the other surface with respect to one surface.
  • a first control circuit 301 is also mounted on one of the front and back surfaces.
  • a second control circuit 302 is also mounted on the other surface. Since the circuits of each system made redundant in the first system and the second system are distributed on both the front and back surfaces of the double-sided mounting board, an efficient element arrangement in which the circuit scale is equalized on both the front and back surfaces is possible. *
  • FIG. 12 is a diagram schematically illustrating a hardware configuration of a mounting board according to another modified example having a different board configuration.
  • a third mounting board 1007 is provided in addition to the first mounting board 1001 and the second mounting board 1002.
  • the third mounting board 1007 is located between the first mounting board 1001 and the second mounting board 1002.
  • the control circuits 301 and 302 are mounted on the third mounting board 1007, and the inverters 111 and 112 and the neutral point switches 131 and 132 are the first mounting board as in the hardware configuration shown in FIG. 1001 and the second mounting substrate 1002 are mounted.
  • a vehicle such as an automobile generally includes a power steering device.
  • the power steering device generates an auxiliary torque for assisting a steering torque of a steering system that is generated when a driver operates a steering wheel.
  • the auxiliary torque is generated by the auxiliary torque mechanism, and the burden on the operation of the driver can be reduced.
  • the auxiliary torque mechanism includes a steering torque sensor, an ECU, a motor, a speed reduction mechanism, and the like.
  • the steering torque sensor detects steering torque in the steering system.
  • the ECU generates a drive signal based on the detection signal of the steering torque sensor.
  • the motor generates auxiliary torque corresponding to the steering torque based on the drive signal, and transmits the auxiliary torque to the steering system via the speed reduction mechanism.
  • FIG. 13 is a diagram schematically showing the configuration of the power steering apparatus 2000 according to the present embodiment.
  • the electric power steering device 2000 includes a steering system 520 and an auxiliary torque mechanism 540. *
  • the steering system 520 is also referred to as, for example, a steering handle 521, a steering shaft 522 (also referred to as “steering column”), universal joints 523A, 523B, and a rotating shaft 524 (“pinion shaft” or “input shaft”). Provided.) *
  • the steering system 520 includes, for example, a rack and pinion mechanism 525, a rack shaft 526, left and right ball joints 552A and 552B, tie rods 527A and 527B, knuckle 528A and 528B, and left and right steering wheels (for example, left and right front wheels) 529A, 529B.
  • a rack and pinion mechanism 525 for example, a rack and pinion mechanism 525, a rack shaft 526, left and right ball joints 552A and 552B, tie rods 527A and 527B, knuckle 528A and 528B, and left and right steering wheels (for example, left and right front wheels) 529A, 529B.
  • the steering handle 521 is connected to the rotating shaft 524 via a steering shaft 522 and universal shaft joints 523A and 523B.
  • a rack shaft 526 is connected to the rotation shaft 524 via a rack and pinion mechanism 525.
  • the rack and pinion mechanism 525 includes a pinion 531 provided on the rotation shaft 524 and a rack 532 provided on the rack shaft 526.
  • the right steering wheel 529A is connected to the right end of the rack shaft 526 through a ball joint 552A, a tie rod 527A, and a knuckle 528A in this order.
  • the left steering wheel 529B is connected to the left end of the rack shaft 526 via a ball joint 552B, a tie rod 527B, and a knuckle 528B in this order.
  • the right side and the left side correspond to the right side and the left side as viewed from the driver sitting on the seat, respectively.
  • a steering torque is generated by the driver operating the steering handle 521, and is transmitted to the left and right steering wheels 529A and 529B via the rack and pinion mechanism 525. Accordingly, the driver can operate the left and right steering wheels 529A and 529B.
  • the auxiliary torque mechanism 540 includes, for example, a steering torque sensor 541, an ECU 542, a motor 543, a speed reduction mechanism 544, and a power supply device 545.
  • the auxiliary torque mechanism 540 gives auxiliary torque to the steering system 520 from the steering handle 521 to the left and right steering wheels 529A and 529B.
  • the auxiliary torque may be referred to as “additional torque”. *
  • the power supply device 545 for example, the power supply devices 101 and 102 shown in FIG.
  • the motor 543 for example, the motor 200 shown in FIG.
  • the motor drive unit 1000 is preferably used.
  • the mechanism constituted by elements excluding the ECU 542, the motor 543, and the power supply device 545 corresponds to an example of a power steering mechanism driven by the motor 543.
  • the steering torque sensor 541 detects the steering torque of the steering system 520 applied by the steering handle 521.
  • the ECU 542 generates a drive signal for driving the motor 543 based on a detection signal from the steering torque sensor 541 (hereinafter referred to as “torque signal”).
  • the motor 543 generates an auxiliary torque corresponding to the steering torque based on the drive signal.
  • the auxiliary torque is transmitted to the rotating shaft 524 of the steering system 520 via the speed reduction mechanism 544.
  • the speed reduction mechanism 544 is, for example, a worm gear mechanism.
  • the auxiliary torque is further transmitted from the rotating shaft 524 to the rack and pinion mechanism 525. *
  • the power steering device 2000 is classified into a pinion assist type, a rack assist type, a column assist type, and the like depending on a place where an assist torque is applied to the steering system 520.
  • FIG. 13 shows a pinion assist type power steering apparatus 2000.
  • the power steering device 2000 is also applied to a rack assist type, a column assist type, and the like. *
  • the ECU 542 can receive not only a torque signal but also a vehicle speed signal, for example.
  • the microcontroller of the ECU 542 can vector-control the motor 543 based on a torque signal, a vehicle speed signal, or the like.
  • the ECU 542 sets a target current value based on at least the torque signal.
  • the ECU 542 preferably sets the target current value in consideration of the vehicle speed signal detected by the vehicle speed sensor and the rotor rotation signal detected by the angle sensor.
  • the ECU 542 can control the drive signal of the motor 543, that is, the drive current so that the actual current value detected by the current sensor (see FIG. 1) matches the target current value.
  • the left and right steering wheels 529A and 529B can be operated by the rack shaft 526 using the combined torque obtained by adding the assist torque of the motor 543 to the steering torque of the driver.
  • the motor drive unit 1000 of the above-described embodiment for the above-described electromechanical integrated motor appropriate current control can be performed at both normal and abnormal times.
  • the power assist in the power steering device is continued both in the normal time and in the abnormal time.
  • FIG. 14 is a diagram schematically illustrating a circuit configuration according to a second modification of the present embodiment.
  • neutral point relay circuits 121 and 122 are provided for one power source.
  • the number of harnesses and connector terminals can be reduced by using a single power source.
  • the first neutral point relay circuit 122 is connected to a power supply terminal E1H connected to the power supply 405 side in the first inverter 111 and a ground terminal E1L located on the ground side in the first inverter 111.
  • the first neutral point relay circuit 122 can switch connection / disconnection between the power supply terminal E1H and the ground terminal E1L.
  • the high-side switch elements 113H, 114H, and 115H, the low-side switch elements 113L, 114L, and 115L, and the first neutral-point relay circuit 122 in each circuit of the first inverter 111 and the first neutral point relay circuit 122 have a freewheeling diode. It is a semiconductor switch element. In the first inverter 111 and the first neutral point relay circuit 122, the freewheeling diode is directed in the opposite direction. The first neutral point relay circuit 122 connected in such a direction can switch the formation / non-formation of the neutral point.
  • the second neutral point relay circuit 121 is connected to a power supply terminal E2H connected to the power supply 405 side in the second inverter 112 and a ground terminal E2L located on the ground side in the second inverter 112.
  • the second neutral point relay circuit 121 can switch connection / disconnection between the power supply terminal E2H and the ground terminal E2L.
  • the high-side switch elements 116H, 117H, and 118H, the low-side switch elements 116L, 117L, and 118L, and the second neutral-point relay circuit 121 in each circuit of the second inverter 112 and the second neutral point relay circuit 121 have a free wheel diode. It is a semiconductor switch element. And in the 2nd inverter 112 and the 2nd neutral point relay circuit 121, a free-wheeling diode turns to a reverse direction. The second neutral point relay circuit 121 connected in such a direction can switch the neutral point formation / non-formation.
  • the separation switches 106, 107, 108 and 109 can switch connection / disconnection between the power source 405 and the inverters 111 and 112.
  • the grounds of the inverters may be shared. This maximizes control and voltage utilization.
  • the ground line may be connected between the neutral point relay circuit and the inverter.
  • the smoothing capacitor is connected to the power supply side with respect to the separation circuit, but may be connected to the inverter side. More specifically, the + side of the capacitor is connected between the isolation circuit and the neutral circuit. The negative side of the capacitor is connected between the negative side of the power source and the neutral point circuit. Thereby, the separation circuit can be controlled in consideration of a short circuit failure of the capacitor. Another separation circuit may be connected between the negative side of the capacitor and the power supply.

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Abstract

電力変換装置は、巻線の一端に接続される第１インバータと、他端に接続される第２インバータと、上記第１インバータにおける電源側に位置する電源端と、上記第１インバータにおけるグランド側に位置するグランド端とに接続され、かつ、それら電源端とグランド端との接続・非接続を切替える第１中性点リレー回路と、上記第２インバータにおける電源側に位置する電源端と、上記第２インバータにおけるグランド側に位置するグランド端とに接続され、かつ、それら電源端とグランド端との接続・非接続を切替える第２中性点リレー回路と、上記第１インバータおよび上記第２中性点リレー回路を制御する第１制御回路と、上記第２インバータおよび上記第１中性点リレー回路を制御する第２制御回路と、を備える。

Description

電力変換装置、駆動装置およびパワーステアリング装置
本発明は、電力変換装置、駆動装置およびパワーステアリング装置に関する。
従来、２つのインバータによりモータの電力を変換するインバータ駆動システムが知られている。また、モータの各巻線の両端それぞれにインバータが接続され各巻線について独立に電力を供給するタイプのインバータ駆動システムも知られている。　
例えば特許文献１には２つのインバータ部を有する電力変換装置が開示されている。特許文献１では、故障検出手段によりスイッチング素子の故障が検出される。そして、スイッチング素子に故障が生じた場合、回転電機(モータ)の駆動継続のため、スイッチング素子のオンオフ作動制御が正常時制御から故障時制御に切り替えられて回転電機が駆動される。
特開２０１４－１９２９５０号公報
近年、電力変換装置、駆動装置およびパワーステアリング装置における電力供給について、電源および制御回路を含んだ駆動系の全部あるいは一部の冗長化による電力供給の継続性の向上が求められている。特に、モータの各巻線について独立に電力を供給する上述したシステムでは、電力供給の継続のために、２つのインバータの一方における異常時に当該一方側を中性点として機能させる仕組みが望まれる場合がある。　
しかし、駆動系の異常時でもインバータを中性点として機能させることが可能な具体的な構成について従来は開示がない。なお、本明細書で「駆動系の異常」は、電源のみの異常、制御回路のみの異常、電源と制御回路との両方における異常、電源異常に伴い制御部も動作停止した状態などといった各種の異常状態を含む。　
本発明は、駆動系の異常で２つのインバータの一方が動作不能となった場合でも、当該一方側を中性点として機能させることが可能な電力変換装置、駆動装置およびパワーステアリング装置を提供することを目的とする。
本発明に係る電力変換装置の一態様は、電源からの電力を、ｎ相（ｎは３以上の整数）の巻線を有するモータに供給する電力に変換する電力変換装置であって、上記巻線の一端に接続される第１インバータと、上記一端に対する他端に接続される第２インバータと、上記第１インバータにおける電源側に位置する電源端と、上記第１インバータにおけるグランド側に位置するグランド端とに接続され、かつ、それら電源端とグランド端との接続・非接続を切替える第１中性点リレー回路と、上記第２インバータにおける電源側に位置する電源端と、上記第２インバータにおけるグランド側に位置するグランド端とに接続され、かつ、それら電源端とグランド端との接続・非接続を切替える第２中性点リレー回路と、上記第１インバータおよび上記第２中性点リレー回路を制御する第１制御回路と、上記第２インバータおよび上記第１中性点リレー回路を制御する第２制御回路と、を備える。　
また、本発明に係る駆動装置の一態様は、上記電力変換装置と、上記電力変換装置に接続され、上記電力変換装置によって変換された電力が供給されるモータと、を備える。　
また、本発明に係るパワーステアリング装置の一態様は、上記電力変換装置と、上記電力変換装置によって変換された電力が供給されるモータと、上記モータにより駆動されるパワーステアリング機構と、を備える。
本発明によれば、駆動系の異常で２つのインバータの一方が動作不能となった場合でも、当該一方側を中性点として機能させることが可能である。
図１は、本実施形態によるモータ駆動ユニットのブロック構成を模式的に示す図である。 図２は、本実施形態によるモータ駆動ユニットの回路構成を模式的に示す図である。 図３は、正常時におけるモータの各相の各コイルに流れる電流値を示す図である。 図４は、モータ駆動ユニットのハードウェア構成を模式的に示す図である。 図５は、第１実装基板および第２実装基板のハードウェア構成を模式的に示す図である。 図６は、本実施形態の変形例による回路構成を模式的に示す図である。 図７は、本実施形態の別の変形例による回路構成を模式的に示す図である。 図８は、本実施形態の更に別の変形例による回路構成を模式的に示す図である。 図９は、回路の実装構造が異なる変形例によるハードウェア構成を模式的に示す図である。 図１０は、図９に示す変形例による実装基板のハードウェア構成を模式的に示す図である。 図１１は、基板構成が異なる変形例による実装基板のハードウェア構成を模式的に示す図である。 図１２は、基板構成が異なる別の変形例による実装基板のハードウェア構成を模式的に示す図である。 図１３は、本実施形態によるパワーステアリング装置の構成を模式的に示す図である。 図１４は、本実施形態の第二変形例による回路構成を模式的に示す図である。
以下、添付の図面を参照しながら、本開示の電力変換装置、駆動装置およびパワーステアリング装置の実施形態を詳細に説明する。但し、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするため、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。　
本明細書において、電源からの電力を、三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の巻線（「コイル」と表記する場合がある。）を有する三相モータに供給する電力に変換する電力変換装置を例にして、本開示の実施形態を説明する。ただし、電源からの電力を、四相または五相などのｎ相（ｎは４以上の整数）の巻線を有するｎ相モータに供給する電力に変換する電力変換装置も本開示の範疇である。



     （モータ駆動ユニット１０００の構造）



     　図１は、本実施形態によるモータ駆動ユニット１０００のブロック構成を模式的に示す図である。　モータ駆動ユニット１０００は、電力供給装置１０１、１０２、モータ２００および制御回路３０１、３０２を備える。　
本明細書では、構成要素としてモータ２００を備えるモータ駆動ユニット１０００を説明する。モータ２００を備えるモータ駆動ユニット１０００は、本発明の駆動装置の一例に相当する。ただし、モータ駆動ユニット１０００は、構成要素としてモータ２００を備えない、モータ２００を駆動するための装置であってもよい。モータ２００を備えないモータ駆動ユニット１０００は、本発明の電力変換装置の一例に相当する。　
第１の電力供給装置１０１は、第１インバータ１１１、第２中性点スイッチ１３１、電流センサ４０１および電圧センサ４１１を備えている。第２の電力供給装置１０２は、第２インバータ１１２、第１中性点スイッチ１３２、電流センサ４０２および電圧センサ４１２を備えている。　
モータ駆動ユニット１０００は、２つの電力供給装置１０１、１０２によって、電源（図２の符号４０３、４０４）からの電力をモータ２００に供給する電力に変換することが可能である。例えば、第１および第２インバータ１１１、１１２は、直流電力を、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の擬似正弦波である三相交流電力に変換することが可能である。　
第１インバータ１１１は、モータ２００のコイルの一端２１０に接続され、第２インバータ１１２は、モータ２００のコイルの他端２２０に接続される。本明細書において、部品（構成要素）同士の「接続」とは、特に断らない限り電気的な接続を意味する。　
モータ２００は、例えば三相交流モータである。モータ２００は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のコイルを有する。コイルの巻き方は、例えば集中巻きまたは分布巻きである。　
制御回路３０１、３０２は、後で詳述するようにマイクロコントローラ３４１、３４２などを備える。第１の制御回路３０１は、電流センサ４０１および角度センサ３２１からの入力信号に基づいて第１の電力供給装置１０１を制御する。また、第２の制御回路３０２は、電流センサ４０２および角度センサ３２２からの入力信号に基づいて第２の電力供給装置１０２を制御する。制御回路３０１、３０２における電力供給装置１０１、１０２の制御手法として、例えばベクトル制御および直接トルク制御（ＤＴＣ）から選択された制御手法が用いられる。　図２を参照して、モータ駆動ユニット１０００の具体的な回路構成を説明する。　
図２は、本実施形態によるモータ駆動ユニット１０００の回路構成を模式的に示す図である。但し、図２では、主に電力供給装置１０１、１０２の回路構成が示されている。　
モータ駆動ユニット１０００は電源に接続される。電源は、それぞれ独立した第１電源４０３と第２電源４０４を備えている。電源４０３、４０４は所定の電源電圧（例えば１２Ｖ）を生成する。電源４０３、４０４として、例えば直流電源が用いられる。ただし、電源４０３、４０４は、ＡＣ－ＤＣコンバータまたはＤＣ―ＤＣコンバータであってもよいし、バッテリー（蓄電池）であってもよい。また、モータ駆動ユニット１０００は、内部に電源を備えていてもよい。　
モータ駆動ユニット１０００は、コイル１０３、１０４、コンデンサ１０５、分離スイッチ１０６、１０７、第１インバータ１１１、第２インバータ１１２、第１中性点スイッチ１３２、第２中性点スイッチ１３１、モータ２００および制御回路３０１、３０２を備える。　
モータ駆動ユニット１０００は、モータ２００のコイル（巻線）の一端２１０側に対応した第１系統と、モータ２００のコイル（巻線）の他端２２０側に対応した第２系統とを備えている。第１系統には、第１インバータ１１１と第１中性点スイッチ１３２と第１制御回路３０１が含まれる。第２系統には、第２インバータ１１２と第２中性点スイッチ１３１と第２制御回路３０２が含まれる。第１系統のインバータ１１１と制御回路３０１は第１電源４０３から電力を供給される。第２系統のインバータ１１２と制御回路３０２は第２電源４０４から電力を供給される。電源と制御回路を含んだ駆動系が、電源も含めて冗長化されているので、後述するように、一方の系統における電源の異常時にも、他方の系統によって電力供給が継続される。　
電力供給装置１０１、１０２は、上述した２つの系統に一部が跨がった構成を有する。第１の電力供給装置１０１は、第１系統のインバータ１１１と第２系統の中性点スイッチ１３１と第１系統の制御回路３０１とを備えている。そして、第１系統のインバータ１１１と第２系統の中性点スイッチ１３１は、第１系統の制御回路３０１によって制御される。第２の電力供給装置１０２は、第２系統のインバータ１１２と第１系統の第１中性点スイッチ１３２と第２系統の制御回路３０２とを備えている。そして、第２系統のインバータ１１２と第１系統の第１中性点スイッチ１３２は、第２系統の制御回路３０２によって制御される。　
電源４０３、４０４とインバータ１１１、１１２との間にはコイル１０３、１０４が備えられている。コイル１０３、１０４は、ノイズフィルタとして機能し、各インバータ１１１、１１２に供給される電圧波形に含まれる高周波ノイズを平滑化する。また、コイル１０３、１０４は、インバータ１１１、１１２で発生する高周波ノイズが電源４０３、４０４側に流出することを防ぐため高周波ノイズを平滑化する。また、各インバータ１１１、１１２の電源端子には、コンデンサ１０５が接続されている。コンデンサ１０５は、いわゆるバイパスコンデンサであり、電圧リプルを抑制する。コンデンサ１０５は、例えば電解コンデンサであり、容量および使用する個数は設計仕様などによって適宜決定される。　
コイル１０３、１０４とインバータ１１１、１１２との間には、分離スイッチ１０６、１０７が備えられている。分離スイッチ１０６、１０７は、電源４０３、４０４とインバータ１１１、１１２との接続・非接続を切替えることができる。　
第１インバータ１１１は、３個のレグを有するブリッジ回路を備える。各レグは、電源４０３とモータ２００との間に接続されたハイサイドスイッチ素子およびモータ２００とグランドとの間に接続されたローサイドスイッチ素子を備える。言い換えると、第１インバータ１１１は、モータ２００のコイル(巻線)の一端２１０と電源４０３との接続・非接続を３相のそれぞれについて切替える３個のハイサイドスイッチ素子を備える。また、第１インバータ１１１は、モータ２００のコイルの一端２１０とグランドとの接続・非接続を３相のそれぞれについて切替える３個のローサイドスイッチ素子を備える。　
具体的には、Ｕ相用レグは、ハイサイドスイッチ素子１１３Ｈおよびローサイドスイッチ素子１１３Ｌを有する。Ｖ相用レグは、ハイサイドスイッチ素子１１４Ｈおよびローサイドスイッチ素子１１４Ｌを有する。Ｗ相用レグは、ハイサイドスイッチ素子１１５Ｈおよびローサイドスイッチ素子１１５Ｌを有する。スイッチ素子としては、例えば電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴなど）または絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）が用いられる。なお、スイッチ素子がＩＧＢＴである場合には、スイッチ素子と逆並列にダイオード（フリーホイール）が接続される。　
第１インバータ１１１は、例えば、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各相の巻線に流れる電流を検出するための電流センサ４０１（図１を参照）として、シャント抵抗１１３Ｒ、１１４Ｒおよび１１５Ｒをそれぞれ各レグに有する。電流センサ４０１は、各シャント抵抗に流れる電流を検出する電流検出回路（不図示）を有する。例えば、シャント抵抗は、各レグにおいて、ローサイドスイッチ素子とグランドとの間に接続され得る。シャント抵抗の抵抗値は、例えば０．５ｍΩ～１．０ｍΩ程度である。　
シャント抵抗の数は３つ以外でもよい。例えば、Ｕ相、Ｖ相用の２つのシャント抵抗１１３Ｒ、１１４Ｒ、Ｖ相、Ｗ相用の２つのシャント抵抗１１４Ｒ、１１５Ｒ、または、Ｕ相、Ｗ相用の２つのシャント抵抗１１３Ｒ、１１５Ｒが用いられてもよい。使用されるシャント抵抗の数およびシャント抵抗の配置は、製品コストおよび設計仕様などが考慮されて適宜決定される。　
第２インバータ１１２は、３個のレグを有するブリッジ回路を備える。第２インバータ１１２は、モータ２００のコイル(巻線)の他端２２０と電源４０４との接続・非接続を３相のそれぞれについて切替える３個のハイサイドスイッチ素子を備える。また、第２インバータ１１２は、モータ２００のコイルの他端２２０とグランドとの接続・非接続を３相のそれぞれについて切替える３個のローサイドスイッチ素子を備える。　
Ｕ相用レグは、ハイサイドスイッチ素子１１６Ｈおよびローサイドスイッチ素子１１６Ｌを有する。Ｖ相用レグは、ハイサイドスイッチ素子１１７Ｈおよびローサイドスイッチ素子１１７Ｌを有する。Ｗ相用レグは、ハイサイドスイッチ素子１１８Ｈおよびローサイドスイッチ素子１１８Ｌを有する。第１インバータ１１１と同様に、第２インバータ１１２は、例えば、シャント抵抗１１６Ｒ、１１７Ｒおよび１１８Ｒを有する。　
第１インバータ１１１は、モータ２００のコイルの一端２１０に接続される。具体的に説明すると、第１インバータ１１１のＵ相用レグ（つまり、ハイサイドスイッチ素子およびローサイドスイッチ素子の間のノード）は、モータ２００のＵ相コイルの一端２１０に接続される。第１インバータ１１１のＶ相用レグは、Ｖ相コイルの一端２１０に接続される。第１インバータ１１１のＷ相用レグは、Ｗ相コイルの一端２１０に接続される。　
第２インバータ１１２は、モータ２００のコイルの他端２２０に接続される。具体的に説明すると、第２インバータ１１２のＵ相用レグは、モータ２００のＵ相コイルの他端２２０に接続される。第２インバータ１１２のＶ相用レグは、Ｖ相コイルの他端２２０に接続される。第２インバータ１１２のＷ相用レグは、Ｗ相コイルの他端２２０に接続される。　
第１中性点スイッチ１３２は、第１インバータ１１１における電源４０３側に位置する電源端Ｅ１Ｈと、第１インバータ１１１におけるグランド側に位置するグランド端Ｅ１Ｌとに接続されている。第１中性点スイッチ１３２は、電源端Ｅ１Ｈとグランド端Ｅ１Ｌとの接続・非接続を切替える第１中性点リレー回路の一例として機能する。第１中性点スイッチ１３２における電源端Ｅ１Ｈとグランド端Ｅ１Ｌとの接続・非接続の切替えは、モータ２００の相数(ここでは一例として３相)よりも少ない数のスイッチ素子によって実行可能であるため、従来の構造より回路規模は小さい。　
具体的には、第１中性点スイッチ１３２は、第１インバータ１１１について３個のハイサイドスイッチ素子１１３Ｈ、１１４Ｈおよび１１５Ｈの電源側と３個のローサイドスイッチ素子１１３Ｌ、１１４Ｌおよび１１５Ｌのグランド側との接続・非接続を１素子で切替えることができる。　
第２中性点スイッチ１３１は、第２インバータ１１２における電源４０４側に位置する電源端Ｅ２Ｈと、第２インバータ１１２におけるグランド側に位置するグランド端Ｅ２Ｌとに接続されている。第２中性点スイッチ１３１は、電源端Ｅ２Ｈとグランド端Ｅ２Ｌとの接続・非接続を切替える第２中性点リレー回路の一例として機能する。第２中性点スイッチ１３１における電源端Ｅ２Ｈとグランド端Ｅ２Ｌとの接続・非接続の切替えは、モータ２００の相数(ここでは一例として３相)よりも少ない数のスイッチ素子によって実行可能であるため、従来の構造より回路規模は小さい。　
具体的には、第２中性点スイッチ１３１は、第２インバータ１１２について３個のハイサイドスイッチ素子１１６Ｈ、１１７Ｈおよび１１８Ｈの電源側と３個のローサイドスイッチ素
子１１６Ｌ、１１７Ｌおよび１１８Ｌのグランド側との接続・非接続を１素子で切替えることができる。　
再び図１を参照する。制御回路３０１、３０２は、例えば、電源回路３１１、３１２と、角度センサ３２１、３２２と、入力回路３３１、３３２と、マイクロコントローラ３４１、３４２と、駆動回路３５１、３５２と、ＲＯＭ３６１、３６２とを備える。制御回路３０１、３０２は電力供給装置１０１、１０２に接続される。そして、制御回路３０１、３０２は電力供給装置１０１、１０２を制御する。具体的には、上述したように、第１の制御回路３０１は、第１インバータ１１１および第２中性点スイッチ１３２を制御する。第２の制御回路３０２は、第２インバータ１１２および第１中性点スイッチ１３１を制御する。　
制御回路３０１、３０２は、目的とするロータの位置（回転角）、回転速度、および電流などを制御してクローズドループ制御を実現することができる。回転速度は、例えば、回転角（ｒａｄ）を時間微分することにより得られ、単位時間（例えば１分間）にロータが回転する回転数（ｒｐｍ）で表される。制御回路３０１、３０２は、目的とするモータトルクを制御することも可能である。制御回路３０１、３０２は、トルク制御のためにトルクセンサを備えてもよいがトルクセンサが省かれていてもトルク制御は可能である。また、角度センサに替えてセンサレスアルゴリズムを備えてもよい。また、２つの制御回路３０１、３０２は、各々がモータの回転に同期して制御を行うことで相互の制御動作を同期させる。　電源回路３１１、３１２は、制御回路３０１、３０２内の各ブロックに必要なＤＣ電圧（例えば３Ｖ、５Ｖ）を生成する。　
角度センサ３２１、３２２は、例えばレゾルバまたはホールＩＣである。角度センサ３２１、３２２は、磁気抵抗（ＭＲ）素子を有するＭＲセンサとセンサマグネットとの組み合わせによっても実現される。角度センサ３２１、３２２は、モータ２００のロータの回転角を検出し、検出した回転角を表した回転信号をマイクロコントローラ３４１、３４２に出力する。モータ制御手法（例えばセンサレス制御）によっては、角度センサ３２１、３２２は必要とされない場合がある。　
電圧センサ４１１、４１２は、中性点スイッチ１３１、１３２の、インバータ１１１、１１２に接続された両端における電圧を検出し、検出した電圧値を入力回路３３１、３３２に出力する。第１系統の制御回路３０１に接続された電圧センサ４１１は、第２中性点スイッチ１３１の配線を介して第２系統のインバータ１１２の両端における電圧を検出する。第２系統の制御回路３０２に接続された電圧センサ４１２は、第１中性点スイッチ１３２の配線を介して第１系統のインバータ１１１の両端における電圧を検出する。　
入力回路３３１、３３２は、電流センサ４０１、４０２によって検出されたモータ電流値（以下、「実電流値」と表記する。）と電圧センサ４１１、４１２によって検出された電圧値を受け取る。入力回路３３１、３３２は、マイクロコントローラ３４１、３４２の入力レベルに実電流値および電圧値のレベルを必要に応じて変換し、実電流値および電圧値をマイクロコントローラ３４１、３４２に出力する。入力回路３３１、３３２は、アナログデジタル変換回路である。　
マイクロコントローラ３４１、３４２は、角度センサ３２１、３２２によって検出されたロータの回転信号を受信するとともに、入力回路３３１、３３２から出力された実電流値および電圧値を受信する。マイクロコントローラ３４１、３４２は、実電流値およびロータの回転信号などに従って目標電流値を設定してＰＷＭ信号を生成し、生成したＰＷＭ信号を駆動回路３５１、３５２に出力する。例えば、マイクロコントローラ３４１、３４２は、電力供給装置１０１、１０２のインバータ１１１、１１２における各スイッチ素子のスイッチング動作（ターンオンまたはターンオフ）を制御するためのＰＷＭ信号を生成する。　
また、マイクロコントローラ３４１、３４２は、中性点スイッチ１３１、１３２のオン・オフの状態を決定する信号を、受信した電圧値に従って生成することが可能である。　
駆動回路３５１、３５２は、例えばゲートドライバである。駆動回路３５１、３５２は、第１および第２インバータ１１１、１１２における各スイッチ素子のスイッチング動作を制御する制御信号（例えば、ゲート制御信号）をＰＷＭ信号に従って生成し、生成した制御信号を各スイッチ素子に与える。さらに、駆動回路３５１、３５２は、マイクロコントローラ３４１、３４２からの、各中性点スイッチ１３１、１３２のオン・オフの状態を決定する信号に従って、各中性点スイッチ１３１、１３２をオン・オフする制御信号を生成し、生成した制御信号を各中性点スイッチ１３１、１３２に与えることが可能である。　マイクロコントローラ３４１、３４２は、駆動回路３５１、３５２の機能を有していてもよい。その場合、駆動回路３５１、３５２は省かれる。　
ＲＯＭ３６１、３６２は、例えば書き込み可能なメモリ（例えばＰＲＯＭ）、書き換え可能なメモリ（例えばフラッシュメモリ）または読み出し専用のメモリである。ＲＯＭ３６１、３６２は、マイクロコントローラ３４１、３４２に電力供給装置１０１、１０２を制御させるための命令群を含む制御プログラムを格納する。例えば、制御プログラムはブート時にＲＡＭ（不図示）に一旦展開される。　
電力供給装置１０１、１０２の制御には正常時および異常時の制御がある。制御回路３０１、３０２（主としてマイクロコントローラ３４１、３４２）は、電力供給装置１０１、１０２の制御を正常時の制御から異常時の制御に切替えることができる。制御の種類に応じて、第１中性点スイッチ１３２および第２中性点スイッチ１３１のオン・オフ状態が決定される。　以下、モータ駆動ユニット１０００の動作の具体例を説明し、主として電力供給装置１００の動作の具体例を説明する。



     （正常時の制御）


先ず、電力供給装置１０１、１０２の正常時の制御方法の具体例を説明する。正常とは、２つの電源４０３、４０４と、２つのインバータ１１１、１１２と、２つの制御回路３０１、３０２のいずれもが正しく動作する状態を指す。　
正常時において、制御回路３０１、３０２は、第１中性点スイッチ１３２をオフし、かつ、第２中性点スイッチ１３１をオフする。これにより、第１インバータ１１１における電源端Ｅ１Ｈとグランド端Ｅ１Ｌとが非接続になるとともに、第２インバータ１１２における電源端Ｅ２Ｈとグランド端Ｅ２Ｌとが非接続になる。　
この状態において、制御回路３０１、３０２は、第１インバータ１１１および第２インバータ１１２の両方を用いて三相通電制御することによってモータ２００を駆動する。一例として、制御回路３０１、３０２は、第１インバータ１１１のスイッチ素子と第２インバータ１１２のスイッチ素子とを、周期変動するデューティでスイッチング制御することにより三相通電制御を行うことができる。第１インバータ１１１と第２インバータ１１２とのそれぞれにおけるデューティの周期変動は制御回路３０１、３０２によって切り替え可能である。制御回路３０１、３０２は、例えば第１インバータ１１１と第２インバータ１１２とで逆位相（位相差＝１８０°）となる周期変動に切り替えてもよい。　図３は、正常時におけるモータ２００の各相の各コイルに流れる電流値を示す図である。　
図３には、正常時の三相通電制御に従って電力供給装置１０１、１０２が制御されたときにモータ２００のＵ相、Ｖ相およびＷ相の各コイルに流れる電流値をプロットして得られる電流波形（正弦波）が例示されている。図３の横軸は、モータ電気角（ｄｅｇ）を示し、縦軸は電流値（Ａ）を示している。Ｉｐｋは各相の最大電流値（ピーク電流値）を表している。なお、電力供給装置１０１、１０２は、図３に例示した正弦波以外に、例えば矩形波を用いてモータ２００を駆動することも可能である。　
表１は、図３の正弦波において電気角毎に各インバータの端子に流れる電流値を示している。表１は、具体的に、第１インバータ１１１とＵ相、Ｖ相およびＷ相それぞれのコイルの一端２１０との接続点に流れる電気角３０°毎の電流値を示している。また、表１は、第２インバータ１１２とＵ相、Ｖ相およびＷ相それぞれのコイルの他端２２０との接続点に流れる、電気角３０°毎の電流値を示している。ここで、第１インバータ１１１に対しては、モータ２００の一端２１０から他端２２０に流れる電流方向を正の方向と定義する。また、第２インバータ１１２に対しては、モータ２００の他端２２０から一端２１０に流れる電流方向を正の方向と定義する。従って、第１インバータ１１１の電流と第２インバータ１１２の電流との位相差は１８０°となる。表１において、電流値Ｉ１の大きさは〔（３）１／２／２〕＊Ｉｐｋであり、電流値Ｉ２の大きさはＩｐｋ／２である。　
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
電気角０°において、Ｕ相のコイルは電流がゼロとなる。電気角０°において、Ｖ相のコイルには第２インバータ１１２から第１インバータ１１１に大きさＩ１の電流が流れ、Ｗ相のコイルには第１インバータ１１１から第２インバータ１１２に大きさＩ１の電流が流れる。　
電気角３０°において、Ｕ相のコイルには第１インバータ１１１から第２インバータ１１２に大きさＩ２の電流が流れ、Ｖ相のコイルには第２インバータ１１２から第１インバータ１１１に大きさＩｐｋの電流が流れ、Ｗ相のコイルには第１インバータ１１１から第２インバータ１１２に大きさＩ２の電流が流れる。　
電気角６０°において、Ｕ相のコイルには第１インバータ１１１から第２インバータ１１２に大きさＩ１の電流が流れ、Ｖ相のコイルには第２インバータ１１２から第１インバータ１１１に大きさＩ１の電流が流れる。電気角６０°において、Ｗ相のコイルは電流がゼロとなる。　
電気角９０°において、Ｕ相のコイルには第１インバータ１１１から第２インバータ１１２に大きさＩｐｋの電流が流れ、Ｖ相のコイルには第２インバータ１１２から第１インバータ１１１に大きさＩ２の電流が流れ、Ｗ相のコイルには第２インバータ１１２から第１インバータ１１１に大きさＩ２の電流が流れる。　
電気角１２０°において、Ｕ相のコイルには第１インバータ１１１から第２インバータ１１２に大きさＩ１の電流が流れ、Ｗ相のコイルには第２インバータ１１２から第１インバータ１１１に大きさＩ１の電流が流れる。電気角１２０°において、Ｖ相のコイルは電流がゼロとなる。　
電気角１５０°において、Ｕ相のコイルには第１インバータ１１１から第２インバータ１１２に大きさＩ２の電流が流れ、Ｖ相のコイルには第１インバータ１１１から第２インバータ１１２に大きさＩ２の電流が流れ、Ｗ相のコイルには第２インバータ１１２から第１インバータ１１１に大きさＩｐｋの電流が流れる。　
電気角１８０°において、Ｕ相のコイルは電流がゼロとなる。電気角１８０°において、Ｖ相のコイルには第１インバータ１１１から第２インバータ１１２に大きさＩ１の電流が流れ、Ｗ相のコイルには第２インバータ１１２から第１インバータ１１１に大きさＩ１の電流が流れる。　
電気角２１０°において、Ｕ相のコイルには第２インバータ１１２から第１インバータ１１１に大きさＩ２の電流が流れ、Ｖ相のコイルには第１インバータ１１１から第２インバータ１１２に大きさＩｐｋの電流が流れ、Ｗ相のコイルには第２インバータ１１２から第１インバータ１１１に大きさＩ２の電流が流れる。　
電気角２４０°において、Ｕ相のコイルには第２インバータ１１２から第１インバータ１１１に大きさＩ１の電流が流れ、Ｖ相のコイルには第１インバータ１１１から第２インバータ１１２に大きさＩ１の電流が流れる。電気角２４０°において、Ｗ相のコイルは電流がゼロとなる。　
電気角２７０°において、Ｕ相のコイルには第２インバータ１１２から第１インバータ１１１に大きさＩｐｋの電流が流れ、Ｖ相のコイルには第１インバータ１１１から第２インバータ１１２に大きさＩ２の電流が流れ、Ｗ相のコイルには第１インバータ１１１から第２インバータ１１２に大きさＩ２の電流が流れる。　
電気角３００°において、Ｕ相のコイルには第２インバータ１１２から第１インバータ１１１に大きさＩ１の電流が流れ、Ｗ相のコイルには第１インバータ１１１から第２インバータ１１２に大きさＩ１の電流が流れる。電気角３００°において、Ｖ相のコイルは電流がゼロとなる。　
電気角３３０°において、Ｕ相のコイルには第２インバータ１１２から第１インバータ１１１に大きさＩ２の電流が流れ、Ｖ相のコイルには第２インバータ１１２から第１インバータ１１１に大きさＩ２の電流が流れ、Ｗ相のコイルには第１インバータ１１１から第２インバータ１１２に大きさＩｐｋの電流が流れる。　
図３に示される電流波形において、電流の向きを考慮した三相のコイルに流れる電流の総和は電気角毎に「０」となる。ただし、電力供給装置１０１、１０２の回路構成によれば、三相のコイルに流れる電流は独立に制御される。このため、制御回路３０１、３０２は電流の総和が「０」以外の値となる制御を行うことも可能である。



     （異常時の制御）


電力供給装置１００の異常時の制御方法の具体例を説明する。異常とは、２つの電源４０３、４０４と、２つのインバータ１１１、１１２と、２つの制御回路３０１、３０２の１つ以上に故障が生じている状態を指す。異常には、大きく分けて第１系統の異常と第２系統の異常とがある。また、各系統の異常としては、インバータ１１１、１１２の故障による異常と駆動系の異常がある。上述したように「駆動系の異常」とは、電源のみの異常、制御回路のみの異常、電源と制御回路との両方における異常、電源異常に伴い制御部も動作停止した状態などといった各種の異常状態を含む。また、インバータ１１１、１１２の故障は、インバータ回路内における断線、ショート、スイッチ素子の故障などを含む。　
異常検知の一例として、制御回路３０１、３０２（主としてマイクロコントローラ３４１、３４２）は、電圧センサ４１１、４１２によって検出された電圧値を解析することで、２つの系統のうち自己が所属している系統に対する相手側の系統における異常を検知する。制御回路３０１、３０２は、自分の制御下にある電圧センサ４１１、４１２および中性点スイッチ１３１、１３２を介して相手側のインバータ１１１、１１２における電圧を確認することができる。具体的には、中性点スイッチ１３１、１３２はＤＣバス（図５の符号２３０、２４０）を介してインバータ１１１、１１２に接続されていて、電圧センサ４１１、４１２はＤＣバスの電圧を検出する。従って、制御回路３０１、３０２は、ＤＣバスの電圧を確認する。つまり、第１実装基板１００１および第２実装基板１００２は、基板間を跨いで第１インバータ１１１と第１中性点リレー回路１２２とを接続する接続線と、基板間を跨いで第２インバータ１１２と第２中性点リレー回路１２１とを接続する接続線を備え、第１制御回路３０１および第２制御回路３０２は、接続線の電圧を検出する。本実施形態において、接続線はＤＣバスを指す。　
異常検知の他の一例として、マイクロコントローラ３４１、３４２は、モータの実電流値と目標電流値との差などを解析することで異常を検知することも可能である。ただし、制御回路３０１、３０２は、これらの手法に限られず、異常検知に関する公知の手法を広く用いることができる。　
制御回路３０１、３０２は、マイクロコントローラ３４１、３４２で異常を検知すると、電力供給装置１０１、１０２の制御を正常時の制御から異常時の制御に切替える。例えば、正常時から異常時に制御を切替えるタイミングは、異常が検知されてから１０ｍｓｅｃ～３０ｍｓｅｃ程度である。　
制御回路３０１、３０２は、異常時には、相手側の系統について中性点スイッチ１３１、１３２をオンする。なお、制御回路３０１、３０２は、異常時以外の特定の場合にも中性点スイッチ１３１、１３２をオンしてもよい。また、分離スイッチ１０６、１０７は、制御信号が停止した状態では自ずとオフする。このため、制御回路３０１、３０２が動作不能となった場合などは、動作不能になった系統の分離スイッチ１０６、１０７がオフする。　
例えば第１の制御回路３０１が異常を検知した場合には、第１の制御回路３０１が第２中性点スイッチ１３１をオンする。また、第２系統側の分離スイッチ１０７は、第２の制御回路３０２がオフするか自ずとオフする。　
第２中性点スイッチ１３１がオンすると、第２インバータ１１２における電源端Ｅ２Ｈとグランド端Ｅ２Ｌとが接続される。その結果、３個のハイサイドスイッチ素子１１６Ｈ、１１７Ｈおよび１１８Ｈの電源側と３個のローサイドスイッチ素子１１６Ｌ、１１７Ｌおよび１１８Ｌのグランド側とが接続される。　
この接続状態になると、ハイサイドスイッチ素子およびローサイドスイッチ素子の状態がどのような状態であっても、ハイサイドスイッチ素子およびローサイドスイッチ素子の寄生ダイオードと第２中性点スイッチ１３１とを介して、モータ２００の３相のコイルにおける他端２２０同士が接続される。従って、モータ２００のコイルはＹ結線される。そして、第２中性点スイッチ１３１が中性点として機能することになる。中性点として機能する第２中性点スイッチ１３１は、第２系統側の分離スイッチ１０７がオフすることで電源４０４から絶縁される。　この接続状態で、第１の制御回路３０１は、第１インバータ１１１を三相通電制御することでモータ２００のコイルを通電することができる。　
第１の制御回路３０１が異常を検知した場合には、第２系統で異常が生じている。そして、第２系統の異常が駆動系の異常である場合、第２の制御回路３０２は、第２インバータ１１２に対する制御を失った状態(第２の制御回路３０２が失陥した状態)になっている。このような場合でも、第１の制御回路３０１が第２中性点スイッチ１３１を制御するので第２系統側で中性点が形成される。そして、第１系統側のインバータ１１１でモータ２００に対する電力供給が継続される。　
第２の制御回路３０２が異常を検知した場合には、第２の制御回路３０２は第１中性点スイッチ１３２をオンするとともに第１系統側の分離スイッチ１０６をオフする。　
第１中性点スイッチ１３２がオンすると、第１インバータ１１１における電源端Ｅ１Ｈとグランド端Ｅ１Ｌとが接続される。その結果、３個のハイサイドスイッチ素子１１３Ｈ、１１４Ｈおよび１１５Ｈの電源側と３個のローサイドスイッチ素子１１３Ｌ、１１４Ｌおよび１１５Ｌのグランド側とが接続される。　
この接続状態になると、ハイサイドスイッチ素子およびローサイドスイッチ素子の状態がどのような状態であっても、ハイサイドスイッチ素子およびローサイドスイッチ素子の寄生ダイオードと第１中性点スイッチ１３２とを介して、モータ２００の３相のコイルにおける一端２１０同士が接続される。従って、モータ２００のコイルはＹ結線される。そして、第１中性点スイッチ１３２が中性点として機能することになる。中性点として機能する第１中性点スイッチ１３２は、第１系統側の分離スイッチ１０６がオフすることで電源４０３から絶縁される。　この接続状態で、第２の制御回路３０２は、第２インバータ１１２を三相通電制御することでモータ２００のコイルを通電することができる。　
第２の制御回路３０２が異常を検知した場合には、第１系統で異常が生じている。そして、第１系統の異常が駆動系の異常である場合、第１の制御回路３０１は、第１インバータ１１１に対する制御を失った状態(第１の制御回路３０１が失陥した状態)になっている。このような場合でも、第２の制御回路３０２が第１中性点スイッチ１３２を制御するので第１系統側で中性点が形成される。そして、第２系統側のインバータ１１２でモータ２００に対する電力供給が継続される。　
異常時における具体的な三相通電制御として、制御回路３０１、３０２は、例えば図３に示される電流波形と同様の波形が得られるようなＰＷＭ制御によってインバータ１１１、１１２の各スイッチング素子におけるスイッチング動作を制御する。　
表２は、図３に示される電流波形と同様の波形が得られるような三相通電制御で例えば第２インバータ１１２が制御された場合に第２インバータ１１２の端子に流れる電流値を電気角毎に例示している。表２は具体的に、第２インバータ１１２とＵ相、Ｖ相およびＷ相それぞれのコイルの他端２２０との接続に流れる、電気角３０°毎の電流値を示している。電流方向の定義は上述したとおりである。　
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
例えば、電気角３０°において、Ｕ相のコイルには第１インバータ１１１から第２インバータ１１２に大きさＩ２の電流が流れ、Ｖ相のコイルには第２インバータ１１２から第１インバータ１１１に大きさＩｐｋの電流が流れ、Ｗ相のコイルには第１インバータ１１１から第２インバータ１１２に大きさＩ２の電流が流れる。電気角６０°において、Ｕ相のコイルには第１インバータ１１１から第２インバータ１１２に大きさＩ１の電流が流れ、Ｖ相のコイルには第２インバータ１１２から第１インバータ１１１に大きさＩ１の電流が流れる。電気角６０°において、Ｗ相のコイルは電流が「０」となる。中性点に流れ込む電流と中性点から流れ出る電流との総和は電気角毎に常に「０」になる。　
表１および表２に示されるように、正常時および異常時の制御の間でモータ２００に流れるモータ電流は電気角毎に同一である。このため、異常時の制御において、正常時の制御におけるモータのトルクが維持される。　
なお、異常時の異常箇所が、インバータ１１１、１１２内の１つのスイッチ素子である場合には、例えば特開２０１４－１９２９５０号公報に記載されている制御手法によってインバータ１１１、１１２が中性点とされることが可能である。但し、この制御手法の実現に際しては、制御信号のオン電圧が正常時と異常時とで異なる特殊なゲートドライバが必要とされる。このような制御手法に対し、中性点スイッチ１３１、１３２は異常時のみでオンされればよいため、制御信号のオン電圧は１つでよく、特殊なドライバが不要である。また、故障を生じたスイッチ素子を含んだインバータ１１１、１１２の使用は避けることが望ましいので、この点でも中性点スイッチ１３１、１３２によって中性点が形成される手法の方が優れている。



     （モータ駆動ユニット１０００のハードウェア構成）



     　次に、モータ駆動ユニット１０００のハードウェア構成について説明する。　図４は、モータ駆動ユニット１０００のハードウェア構成を模式的に示す図である。　
モータ駆動ユニット１０００は、ハードウェア構成として、上述したモータ２００と、第１実装基板１００１と、第２実装基板１００２と、ハウジング１００３と、コネクタ１００４、１００５とを備えている。　
モータ２００からは、コイルの一端２１０と他端２２０が突き出して実装基板１００１、１００２に向かって延びている。コイルの一端２１０は、第２実装基板１００１に接続されるとともに第２実装基板１００１を貫通して第１実装基板１００１に接続されている。また、コイルの他端２２０は、第２実装基板１００１のみに接続されている。　
第１実装基板１００１と第２実装基板１００２とは基板面が互いに対向している。基板面が対向した方向に、モータ２００の回転軸が延びている。第１実装基板１００１と第２実装基板１００２とモータ２００は、ハウジング１００３内に収容されることで互いの位置が固定されている。　
第１実装基板１００１には、第１電源４０３からの電源コードが接続されるコネクタ１００４が取り付けられている。第２実装基板１００２には、第２電源４０４からの電源コードが接続されるコネクタ１００５が取り付けられている。　図５は、第１実装基板１００１および第２実装基板１００２のハードウェア構成を模式的に示す図である。　
第１実装基板１００１には、第１インバータ１１１および第２中性点スイッチ１３１が実装されている。また、第１実装基板１００１とは別の第２実装基板１００２には、第２インバータ１１２および第１中性点スイッチ１３２が実装されている。第１系統と第２系統とに冗長化された各系統の回路が２枚の実装基板に振り分けられているので、２枚の実装基板について回路規模が同程度の効率的な素子配置が可能となる。　
第１実装基板１００１および第２実装基板１００２には、基板間を跨いで第１インバータ１１１と第１中性点スイッチ１３２とを接続するＤＣバー２３０と、基板間を跨いで第２インバータ１１２と第２中性点スイッチ１３１とを接続するＤＣバー２４０が備えられている。なお、ＤＣバーに替えてバスバー、ピンなどが備えられてもよい。　
第１実装基板１００１には、第１の制御回路３０１も実装されている。第２実装基板１００２には、第２の制御回路３０２も実装されている。各制御回路３０１、３０２が、各制御回路３０１、３０２による制御対象のインバータ１１１、１１２および中性点スイッチ１３１、１３２と同一の実装基板上に実装されているので制御のための配線が同一基板内に納まる。よって、効率的な素子配置が可能となる。　
第１実装基板１００１上の第１インバータ１１１と第２実装基板１００２上の第１中性点スイッチ１３２は、第１実装基板１００１と第２実装基板１００２との対向方向で見た場合に互いに重なり合う位置に実装されている。また、第１実装基板１００１上の第２中性点スイッチ１３１と第２実装基板１００２上の第２インバータ１１２は、第１実装基板１００１と第２実装基板１００２との対向方向で見た場合に互いに重なり合う位置に実装されている。このような回路配置により、実装基板上の限られた配置面積が有効に活用された効率的な素子配置が可能となる。　
第１実装基板１００１と第２実装基板１００２との対向方向で見た場合に、第１実装基板１００１上の第１インバータ１１１と第２実装基板１００２上の第２インバータ１１２とが互いに対称な配置となっている。また、第１実装基板１００１と第２実装基板１００２との対向方向で見た場合に、第１実装基板１００１上の第２中性点スイッチ１３１と第２実装基板１００２上の第１中性点スイッチ１３２とが互いに対称な配置となっている。このような対称な配置により、２枚の実装基板１００１、１００２について基板設計が共通化できる。(変形例)　図６は、本実施形態の変形例による回路構成を模式的に示す図である。　図６に示された変形例では、中性点スイッチ１３１、１３２に替えて中性点リレー回路１２１、１２２が備えられる。　
第１中性点リレー回路１２２は、第１インバータ１１１における電源４０３側に位置する電源端Ｅ１Ｈと、第１インバータ１１１におけるグランド側に位置するグランド端Ｅ１Ｌとに接続される。第１中性点リレー回路１２２は、電源端Ｅ１Ｈとグランド端Ｅ１Ｌとの接続・非接続を切替えることができる。　第１中性点リレー回路１２２は、第１中性点リレー１２３とバックアップリレー１２４とを備える。　
第１中性点リレー１２３は、第１インバータ１１１について３個のハイサイドスイッチ素子１１３Ｈ、１１４Ｈおよび１１５Ｈの電源側と３個のローサイドスイッチ素子１１３Ｌ、１１４Ｌおよび１１５Ｌのグランド側との接続・非接続を１素子で切替えることができる。　
バックアップリレー１２４は、第１中性点リレー１２３に対して並列に接続される。第１中性点リレー１２３のオフ故障時にはバックアップリレー１２４によってスイッチ動作がバックアップされるので第１中性点リレー回路１２２は正常な動作を継続することができる。　
第１インバータ１１１および第１中性点リレー回路１２２の各回路におけるハイサイドスイッチ素子１１３Ｈ、１１４Ｈ、１１５Ｈ、ローサイドスイッチ素子１１３Ｌ、１１４Ｌ、１１５Ｌおよび第１中性点リレー１２３は、還流ダイオードを有する半導体スイッチ素子である。そして、第１インバータ１１１と第１中性点リレー１２３とでは還流ダイオードが逆方向を向く。このような向きで接続される第１中性点リレー１２３を備えた第１中性点リレー回路１２２は、中性点の形成・非形成を切替えることができる。　
第２中性点リレー回路１２１は、第２インバータ１１２における電源４０４側に位置する電源端Ｅ２Ｈと、第２インバータ１１２におけるグランド側に位置するグランド端Ｅ２Ｌとに接続されている。第２中性点リレー回路１２１は、電源端Ｅ２Ｈとグランド端Ｅ２Ｌとの接続・非接続を切替えることができる。　第２中性点リレー回路１２１は、第２中性点リレー１２５とバックアップリレー１２６とを備える。　
第２中性点リレー１２５は、第２インバータ１１２について３個のハイサイドスイッチ素子１１６Ｈ、１１７Ｈおよび１１８Ｈの電源側と３個のローサイドスイッチ素子１１６Ｌ、１１７Ｌおよび１１８Ｌのグランド側との接続・非接続を１素子で切替えることができる。　
バックアップリレー１２６は、第２中性点リレー１２５に対して並列に接続される。第２中性点リレー１２５のオフ故障時にはバックアップリレー１２６によってスイッチ動作がバックアップされるので第２中性点リレー回路１２１は正常な動作を継続することができる。　
第２インバータ１１２および第２中性点リレー回路１２１の各回路におけるハイサイドスイッチ素子１１６Ｈ、１１７Ｈ、１１８Ｈ、ローサイドスイッチ素子１１６Ｌ、１１７Ｌ、１１８Ｌおよび第２中性点リレー１２５は、還流ダイオードを有する半導体スイッチ素子である。そして、第２インバータ１１２と第２中性点リレー１２５とでは還流ダイオードが逆方向を向く。このような向きで接続される第２中性点リレー１２５を備えた第２中性点リレー回路１２１は、中性点の形成・非形成を切替えることができる。　図７は、本実施形態の別の変形例による回路構成を模式的に示す図である。　
図７に示された変形例では、バックアップリレーが中性点リレーに対して直列に接続される。具体的には、第１中性点リレー回路１２２のバックアップリレー１２４は、第１中性点リレー１２３と並列に電源端Ｅ１Ｈとグランド端Ｅ１Ｌに接続される。また、第２中性点リレー回路１２１のバックアップリレー１２６は、第２中性点リレー１２５と並列に電源端Ｅ２Ｈとグランド端Ｅ２Ｌに接続される。　
中性点リレー１２３、１２５のオン故障時にはバックアップリレー１２４、１２６によって電流が遮断される。なお、中性点リレー１２３、１２５の故障時に中性点の形成が必要になった場合は、インバータ１１１、１１２の制御によってインバータ１１１、１１２内に中性点が形成される。　図８は、本実施形態の更に別の変形例による回路構成を模式的に示す図である。　
図８に示された変形例では、２つの電源４０３、４０４は互いに独立であるがグランドが共通となっている。このように電源４０３、４０４のグランドが共通している場合には、インバータ１１１、１１２とグランドとの間に分離スイッチ１０８、１０９が備えられる。そして、上述した異常時には、異常が生じた系統の分離スイッチ１０８、１０９がオフされて、インバータ１１１からグランドへの電流経路が遮断される。このような遮断により、異常が生じた系統での中性点が形成され、正常な系統による三相通電制御が可能となる。　
図８では、一例として、第１インバータ１１１用の第１電源４０３および第２インバータ１１２用の第２電源４０４が示されている。インバータ１１１、１１２とグランドとの間に分離スイッチ１０８、１０９が備えられるので、モータ駆動ユニット１０００は、第１インバータ１１１および第２インバータ１１２に共通の単一電源に接続されてもよい。　図９は、回路の実装構造が異なる変形例によるハードウェア構成を模式的に示す図である。　
図９に示す変形例では、モータ２００のコイルの一端２１０および他端２２０が、モータ２００の回転軸周りの一部に偏った箇所でモータ２００から突き出し、実装基板１００１、１００２に向かって延びている。このようにコイルの一端２１０および他端２２０の位置が偏っている場合、２枚の実装基板１００１、１００２における回路配置は、対称的配置とは異なる配置となる。　図１０は、図９に示す変形例による実装基板のハードウェア構成を模式的に示す図である。　
コイルの一端２１０および他端２２０は、２枚の実装基板１００１、１００２に対し、基板上の偏った部分に集中して接続されている。そして、各実装基板１００１、１００２上のインバータ１１１、１１２と中性点スイッチ１３１、１３２と制御回路３０１，３０２は、コイルの一端２１０および他端２２０が偏って集まっている一方の箇所から他方の箇所へと向かって、この順で並んで実装されている。　
この変形例の場合にも、各制御回路３０１、３０２が、各制御回路３０１、３０２による制御対象のインバータ１１１、１１２および中性点スイッチ１３１、１３２と同一の実装基板上に実装されているので制御のための配線が同一基板内に納まる。よって、効率的な素子配置が可能となる。　図１１は、基板構成が異なる変形例による実装基板のハードウェア構成を模式的に示す図である。　
図１１に示された変形例では、１枚の両面実装基板１００６が備えられている。両面実装基板１００６の表裏両面のうち一方の面に第１インバータ１１１および第２中性点スイッチ１３１が実装されている。一方の面に対する他方の面に第２インバータ１１２および第１中性点スイッチ１３２が実装されている。表裏両面のうち一方の面には、第１の制御回路３０１も実装されている。他方の面には第２の制御回路３０２も実装されている。第１系統と第２系統とに冗長化された各系統の回路が両面実装基板の表裏両面に振り分けられているので、表裏両面について回路規模が均された効率的な素子配置が可能となる。　
両面実装基板１００６の表裏両面における具体的な回路配置は、一方の面における回路配置が、図５に示された第１実装基板１００１上の回路配置と同様となっており、他方の面における回路配置が、図５に示された第２実装基板１００２上の回路配置と同様となっている。このため、コイルの一端２１０と他端２２０に対する配線経路が簡素化された効率的な素子配置が可能であるとともに、両面
実装基板１００６の表裏両面について基板設計が共通化できる。　図１２は、基板構成が異なる別の変形例による実装基板のハードウェア構成を模式的に示す図である。　
図１２に示されたハードウェア構成では、第１実装基板１００１と第２実装基板１００２とに加えて第３実装基板１００７が備えられている。第３実装基板１００７は、第１実装基板１００１と第２実装基板１００２の間に位置している。そして、制御回路３０１、３０２が第３実装基板１００７上に実装されているとともに、インバータ１１１、１１２および中性点スイッチ１３１、１３２は図５に示されたハードウェア構成と同様に第１実装基板１００１と第２実装基板１００２に実装されている。このようなハードウェア構成により、パワー回路と制御回路とが分離されるので安全性の向上、および電源配線の簡素化が可能となる。



     （パワーステアリング装置の実施形態）


自動車等の車両は一般的に、パワーステアリング装置を備えている。パワーステアリング装置は、運転者がステアリングハンドルを操作することによって発生するステアリング系の操舵トルクを補助するための補助トルクを生成する。補助トルクは、補助トルク機構によって生成され、運転者の操作の負担を軽減することができる。例えば、補助トルク機構は、操舵トルクセンサ、ＥＣＵ、モータおよび減速機構などから構成される。操舵トルクセンサは、ステアリング系における操舵トルクを検出する。ＥＣＵは、操舵トルクセンサの検出信号に基づいて駆動信号を生成する。モータは、駆動信号に基づいて操舵トルクに応じた補助トルクを生成し、減速機構を介してステアリング系に補助トルクを伝達する。　
上記実施形態のモータ駆動ユニット１０００は、パワーステアリング装置に好適に利用される。図１３は、本実施形態によるパワーステアリング装置２０００の構成を模式的に示す図である。　電動パワーステアリング装置２０００は、ステアリング系５２０および補助トルク機構５４０を備える。　
ステアリング系５２０は、例えば、ステアリングハンドル５２１、ステアリングシャフト５２２（「ステアリングコラム」とも称される。）、自在軸継手５２３Ａ、５２３Ｂ、および回転軸５２４（「ピニオン軸」または「入力軸」とも称される。）を備える。　
また、ステアリング系５２０は、例えば、ラックアンドピニオン機構５２５、ラック軸５２６、左右のボールジョイント５５２Ａ、５５２Ｂ、タイロッド５２７Ａ、５２７Ｂ、ナックル５２８Ａ、５２８Ｂ、および左右の操舵車輪（例えば左右の前輪）５２９Ａ、５２９Ｂを備える。　
ステアリングハンドル５２１は、ステアリングシャフト５２２と自在軸継手５２３Ａ、５２３Ｂとを介して回転軸５２４に連結される。回転軸５２４にはラックアンドピニオン機構５２５を介してラック軸５２６が連結される。ラックアンドピニオン機構５２５は、回転軸５２４に設けられたピニオン５３１と、ラック軸５２６に設けられたラック５３２とを有する。ラック軸５２６の右端には、ボールジョイント５５２Ａ、タイロッド５２７Ａおよびナックル５２８Ａをこの順番で介して右の操舵車輪５２９Ａが連結される。右側と同様に、ラック軸５２６の左端には、ボールジョイント５５２Ｂ、タイロッド５２７Ｂおよびナックル５２８Ｂをこの順番で介して左の操舵車輪５２９Ｂが連結される。ここで、右側および左側は、座席に座った運転者から見た右側および左側にそれぞれ一致する。　
ステアリング系５２０によれば、運転者がステアリングハンドル５２１を操作することによって操舵トルクが発生し、ラックアンドピニオン機構５２５を介して左右の操舵車輪５２９Ａ、５２９Ｂに伝わる。これにより、運転者は左右の操舵車輪５２９Ａ、５２９Ｂを操作することができる。　
補助トルク機構５４０は、例えば、操舵トルクセンサ５４１、ＥＣＵ５４２、モータ５４３、減速機構５４４および電力供給装置５４５を備える。補助トルク機構５４０は、ステアリングハンドル５２１から左右の操舵車輪５２９Ａ、５２９Ｂに至るステアリング系５２０に補助トルクを与える。なお、補助トルクは「付加トルク」と称されることがある。　
ＥＣＵ５４２としては、例えば図１などに示された制御回路３０１、３０２が用いられる。また、電力供給装置５４５としては、例えば図１などに示された電力供給装置１０１、１０２が用いられる。また、モータ５４３としては、例えば図１などに示されたモータ２００が用いられる。ＥＣＵ５４２、モータ５４３および電力供給装置５４５が、一般的に「機電一体型モータ」と称されるユニットを構成する場合には、当該ユニットとしては、例えば図４あるいは図９に示されたハードウェア構成のモータ駆動ユニット１０００が好適に用いられる。図１３に示された各要素のうち、ＥＣＵ５４２、モータ５４３および電力供給装置５４５を除いた要素で構成された機構は、モータ５４３によって駆動されるパワーステアリング機構の一例に相当する。　
操舵トルクセンサ５４１は、ステアリングハンドル５２１によって付与されたステアリング系５２０の操舵トルクを検出する。ＥＣＵ５４２は、操舵トルクセンサ５４１からの検出信号（以下、「トルク信号」と表記する。）に基づいてモータ５４３を駆動するための駆動信号を生成する。モータ５４３は、操舵トルクに応じた補助トルクを駆動信号に基づいて発生する。補助トルクは、減速機構５４４を介してステアリング系５２０の回転軸５２４に伝達される。減速機構５４４は、例えばウォームギヤ機構である。補助トルクはさらに、回転軸５２４からラックアンドピニオン機構５２５に伝達される。　
パワーステアリング装置２０００は、補助トルクがステアリング系５２０に付与される箇所によって、ピニオンアシスト型、ラックアシスト型、およびコラムアシスト型等に分類される。図１３には、ピニオンアシスト型のパワーステアリング装置２０００が示されている。ただし、パワーステアリング装置２０００は、ラックアシスト型、コラムアシスト型等にも適用される。　
ＥＣＵ５４２には、トルク信号だけでなく、例えば車速信号も入力され得る。ＥＣＵ５４２のマイクロコントローラは、トルク信号や車速信号などに基づいてモータ５４３をベクトル制御することができる。　
ＥＣＵ５４２は、少なくともトルク信号に基づいて目標電流値を設定する。ＥＣＵ５４２は、車速センサによって検出された車速信号を考慮し、さらに角度センサによって検出されたロータの回転信号を考慮して、目標電流値を設定することが好ましい。ＥＣＵ５４２は、電流センサ（図１参照）によって検出された実電流値が目標電流値に一致するように、モータ５４３の駆動信号、つまり、駆動電流を制御することができる。　
パワーステアリング装置２０００によれば、運転者の操舵トルクにモータ５４３の補助トルクを加えた複合トルクを利用してラック軸５２６によって左右の操舵車輪５２９Ａ、５２９Ｂを操作することができる。特に、上述した機電一体型モータに、上記実施形態のモータ駆動ユニット１０００が利用されることにより、正常時および異常時のいずれにおいても適切な電流制御が可能となる。この結果、正常時および異常時のいずれにおいてもパワーステアリング装置におけるパワーアシストが継続される。
(第二変形例)



　図１４は、本実施形態の第二変形例による回路構成を模式的に示す図である。　図１４に示された第二変形例では、１つの電源に対して中性点リレー回路１２１、１２２が備えられる。本変形例において、電源を一つとしたことにより、ハーネスおよびコネクタ端子数を減らすことができる。
第１中性点リレー回路１２２は、第１インバータ１１１における電源４０５側に接続される電源端Ｅ１Ｈと、第１インバータ１１１におけるグランド側に位置するグランド端Ｅ１Ｌとに接続される。第１中性点リレー回路１２２は、電源端Ｅ１Ｈとグランド端Ｅ１Ｌとの接続・非接続を切替えることができる。
第１インバータ１１１および第１中性点リレー回路１２２の各回路におけるハイサイドスイッチ素子１１３Ｈ、１１４Ｈ、１１５Ｈ、ローサイドスイッチ素子１１３Ｌ、１１４Ｌ、１１５Ｌおよび第１中性点リレー回路１２２は、還流ダイオードを有する半導体スイッチ素子である。そして、第１インバータ１１１と第１中性点リレー回路１２２とでは還流ダイオードが逆方向を向く。このような向きで接続される第１中性点リレー回路１２２は、中性点の形成・非形成を切替えることができる。
第２中性点リレー回路１２１は、第２インバータ１１２における電源４０５側に接続される電源端Ｅ２Ｈと、第２インバータ１１２におけるグランド側に位置するグランド端Ｅ２Ｌとに接続されている。第２中性点リレー回路１２１は、電源端Ｅ２Ｈとグランド端Ｅ２Ｌとの接続・非接続を切替えることができる。
第２インバータ１１２および第２中性点リレー回路１２１の各回路におけるハイサイドスイッチ素子１１６Ｈ、１１７Ｈ、１１８Ｈ、ローサイドスイッチ素子１１６Ｌ、１１７Ｌ、１１８Ｌおよび第２中性点リレー回路１２１は、還流ダイオードを有する半導体スイッチ素子である。そして、第２インバータ１１２と第２中性点リレー回路１２１とでは還流ダイオードが逆方向を向く。このような向きで接続される第２中性点リレー回路１２１は、中性点の形成・非形成を切替えることができる。
本実施形態において、分離スイッチ１０６、１０７、１０８、１０９は、電源４０５とインバータ１１１、１１２との接続・非接続を切替えることができる。
＜その他実施形態＞
　以上に、本発明の実施形態を説明したが、実施形態における各構成およびそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはない。
例えば、２つの電源が第１インバータおよび第２インバータそれぞれに電力を供給する場合に、各インバータのグランドを共通にしてもよい。これにより、制御および電圧利用率を最大にすることができる。また、グランド線は、中性点リレー回路とインバータとの間に接続されてもよい。
本実施形態において、平滑用のコンデンサは、分離回路よりも電源側に接続するが、インバータ側に接続しても良い。より詳細に述べると、コンデンサの＋側は、分離回路と中性点回路との間に接続する。そして、コンデンサの－側は、電源の－側と中性点回路との間に接続する。これにより、コンデンサのショート故障も踏まえて分離回路を制御させることができる。なお、別の分離回路が、コンデンサの－側と電源との間に、接続しても良い。
１０１、１０２　　：電力供給装置１０６、１０７、１０８、１０９　　：分離スイッチ１１１　　：第１インバータ１１２　　：第２インバータ１２１　　：第２中性点リレー回路１２２　　：第１中性点リレー回路１３１　　：第２中性点スイッチ１３２　　：第１中性点スイッチ１２４、１２６　　：バックアップリレー２００　　：モータ２３０、２４０　　：ＤＣバス３０１、３０２　　：制御回路３１１、３１２　　：電源回路３２１、３２２　　：角度センサ３３１、３３２　　：入力回路３４１、３４２　　：マイクロコントローラ３５１、３５２　　：駆動回路３６１、３６２　　：ＲＯＭ４０１、４０２　　：電流センサ４０３、４０４　　：電源４１１、４１２　　：電圧センサ１０００　　：モータ駆動ユニット１００１、１００２、１００７　　：実装基板１００６　　：両面実装基板２０００　　：パワーステアリング装置

Claims (10)

  1. 電源からの電力を、ｎ相（ｎは３以上の整数）の巻線を有するモータに供給する電力に変換する電力変換装置であって、



          　前記巻線の一端に接続される第１インバータと、



                        　前記一端に対する他端に接続される第２インバータと、



          　前記第１インバータにおける電源側に位置する電源端と、前記第１インバータにおけるグランド側に位置するグランド端とに接続され、かつ、それら電源端とグランド端との接続・非接続を切替える第１中性点リレー回路と、



          　前記第２インバータにおける電源側に位置する電源端と、前記第２インバータにおけるグランド側に位置するグランド端とに接続され、かつ、それら電源端とグランド端との接続・非接続を切替える第２中性点リレー回路と、



          　前記第１インバータおよび前記第２中性点リレー回路を制御する第１制御回路と、



          　前記第２インバータおよび前記第１中性点リレー回路を制御する第２制御回路と、を備える電力変換装置。
  2. 前記電源は、それぞれ独立した第１電源と第２電源を備え、



          　前記第１制御回路および前記第１インバータは、前記第１電源から電力を供給され、



          　前記第２制御回路および前記第２インバータは、前記第２電源から電力を供給される請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 前記第１インバータおよび前記第２中性点リレー回路が実装された第１実装基板と、



          　前記第２インバータおよび前記第１中性点リレー回路が実装された、前記第１実装基板とは別の第２実装基板とを備える請求項１または２に記載の電力変換装置。
  4. 前記第１実装基板および前記第２実装基板は、基板間を跨いで前記第１インバータと前記第１中性点リレー回路とを接続する接続線と、基板間を跨いで前記第２インバータと前記第２中性点リレー回路とを接続する接続線を備え、



          　前記第１制御回路および前記第２制御回路は、前記接続線の電圧を検出する請求項３に記載の電力変換装置。
  5. 表裏両面のうち一方の面に前記第１インバータおよび前記第２中性点リレー回路が実装され、前記一方の面に対する他方の面に前記第２インバータおよび前記第１中性点リレー回路が実装された両面実装基板を備える請求項１または２に記載の電力変換装置。
  6. 前記第１インバータは、前記巻線の前記一端と前記電源との接続・非接続を前記ｎ相のそれぞれについて切替えるｎ個の上側リレー素子と、前記巻線の前記一端とグランドとの接続・非接続を前記ｎ相のそれぞれについて切替えるｎ個の下側リレー素子とを備え、



          　前記第１中性点リレー回路は、前記第１インバータについて前記ｎ個の上側リレー素子の前記電源側と前記ｎ個の下側リレー素子の前記グランド側との接続・非接続を１素子で切替える中性点リレー素子を備え、



          　前記第２インバータは、前記巻線の前記他端と前記電源との接続・非接続を前記ｎ相のそれぞれについて切替えるｎ個の上側リレー素子と、前記巻線の前記他端とグランドとの接続・非接続を前記ｎ相のそれぞれについて切替えるｎ個の下側リレー素子とを備え、



          　前記第２中性点リレー回路は、前記第２インバータについて前記ｎ個の上側リレー素子の前記電源側と前記ｎ個の下側リレー素子の前記グランド側との接続・非接続を１素子で切替える中性点リレー素子を備え、



          　前記第１インバータおよび前記第１中性点リレー回路の各回路における上側リレー素子、下側リレー素子および中性点リレー素子は、還流ダイオードを有する半導体スイッチ素子であり、前記第１インバータと前記第１中性点リレー回路とでは還流ダイオードが逆方向を向き、



          　前記第２インバータおよび前記第２中性点リレー回路の各回路における上側リレー素子、下側リレー素子および中性点リレー素子は、還流ダイオードを有する半導体スイッチ素子であり、前記第２インバータと前記第２中性点リレー回路とでは還流ダイオードが逆方向を向く請求項１から５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  7. 前記第１中性点リレー回路および前記第２中性点リレー回路が、前記中性点リレー素子に対して並列または直列に接続されたバックアップリレー素子をさらに備える請求項６に記載の電力変換装置。
  8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の電力変換装置と、



          　前記電力変換装置に接続され、前記電力変換装置によって変換された電力が供給されるモータと、



          を備えた駆動装置。
  9. 前記電力変換装置は、前記第１インバータおよび前記第２中性点リレー回路が実装された第１実装基板と、前記第２インバータおよび前記第１中性点リレー回路が実装された、



          前記第１実装基板とは別の第２実装基板とを備え、



          　前記モータは、前記巻線の前記一端が、前記第２実装基板に接続されるとともに当該第２実装基板を貫通して前記第１実装基板に接続され、前記巻線の前記他端が前記第２実装基板のみに接続される請求項８に記載の駆動装置。
  10. 請求項１から７のいずれか１項に記載の電力変換装置と、



          　前記電力変換装置によって変換された電力が供給されるモータと、



          　前記モータにより駆動されるパワーステアリング機構と、



          を備えるパワーステアリング装置。
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