WO2023079960A1 - モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

モータ駆動装置の多相プリドライバ回路（４０）は、バッテリ（１５）から供給される電圧により動作し、インバータ（６０）の複数のスイッチング素子（６１－６６）を駆動する。半導体スイッチング素子で構成された複数のモータリレー（７１、７２、７３）は、各相のアーム間接続点（Ｎｕ、Ｎｖ、Ｎｗ）と多相モータの各相巻線（８１、８２、８３）との間に設けられ、ＯＦＦ時に多相モータ（８０）側からインバータ（６０）側への電流を遮断する。多相プリドライバ回路（４０）は、バッテリ（１５）の電圧を昇圧するチャージポンプ（４３）を有する。チャージポンプ（４３）の出力端は、各相のモータリレー（７１、７２、７３）のゲートに接続されている。チャージポンプ（４３）の動作中、制御部（３０）から指令がある場合を除き、各相のモータリレー（７１、７２、７３）はチャージポンプ（４３）の出力電圧によりＯＮする。

Description

モータ駆動装置 関連出願の相互参照

　本出願は、２０２１年１１月２日に出願された日本出願番号２０２１－１７９６８５号に基づくものであり、ここにその記載内容を援用する。

　本開示は、モータ駆動装置に関する。

　従来、バッテリの直流電力をインバータで変換し、多相モータに供給するモータ駆動装置が知られている。例えば特許文献１に開示された電動機駆動装置は、インバータの各相のアーム間接続点とモータ巻線とを接続する電流経路を遮断可能な複数のモータリレーが設けられている。複数のモータリレーは、逆接続保護リレーと共通のドライバ回路により駆動される。

特開２０１４－４５５７６号公報

　従来、車両に搭載される補機モータの駆動装置は、一般に１２Ｖのバッテリ電圧を想定して設計されていた。今後、電動自動車の補機用バッテリ電圧は２４Ｖ又は４８Ｖに高圧化される予定であり、従来の１２Ｖ仕様の駆動回路では耐圧超過となる。そのため、高電圧で駆動可能なインバータに加え、モータリレーを駆動するドライバ回路が必要となり、モータ駆動装置の小型化や高集積化の点で障壁となる。

　本開示の目的は、簡易な構成でモータリレーを駆動可能なモータ駆動装置を提供することにある。

　本開示のモータ駆動装置は、インバータと、多相プリドライバ回路と、制御部と、複数のモータリレーと、を備える。インバータは、バッテリに接続される電源ラインとグランドラインとの間に直列接続された複数相の上下アームのスイッチング素子を含み、バッテリの直流電力を変換して多相モータに供給する。

　多相プリドライバ回路は、バッテリから供給される電圧により動作し、インバータの複数のスイッチング素子を駆動する。制御部は、多相プリドライバ回路に駆動信号を指令し、インバータから多相モータへの通電を制御する。

　半導体スイッチング素子で構成された複数のモータリレーは、各相の上下アームのスイッチング素子の接続点であるアーム間接続点と多相モータの各相巻線との間に設けられ、ＯＦＦ時に多相モータ側からインバータ側への電流を遮断する。

　多相プリドライバ回路は、バッテリの電圧を昇圧するチャージポンプを有する。チャージポンプの出力端は、各相のモータリレーのゲートに接続されている。チャージポンプの動作中、制御部から指令がある場合を除き、各相のモータリレーはチャージポンプの出力電圧によりＯＮする。

　これにより、モータリレー専用のドライバ回路が不要となる。したがって、簡易な構成でモータリレーを駆動することができる。また、バッテリ電圧が例えば１２Ｖから２４Ｖ又は４８Ｖに高圧化された場合、インバータの駆動用にチャージポンプ電圧が高圧化されることに伴ってモータリレーも駆動可能となる。

　本開示についての上記目的及びその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
図１は、第１実施形態のモータ駆動装置の構成図であり、 図２は、第１実施形態のモータ駆動装置でのモータリレー駆動構成を示す回路図であり、 図３は、第２実施形態のモータ駆動装置でのモータリレー駆動構成を示す回路図であり、 図４は、第３実施形態のモータ駆動装置でのモータリレー駆動構成を示す回路図であり、 図５は、第４実施形態のモータ駆動装置でのモータリレー駆動構成を示す回路図であり、 図６は、比較例のモータ駆動装置の構成図である。

　複数の実施形態によるモータ駆動装置を図面に基づいて説明する。複数の実施形態において実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。第１～第４実施形態を包括して「本実施形態」という。本実施形態での「多相モータ」は三相モータであり、「多相プリドライバ回路」は三相プリドライバ回路である。本実施形態のモータ駆動装置は、電動パワーステアリング装置においてバッテリの直流電力を変換して操舵アシストモータに供給する。操舵アシストモータは三相ブラシレスモータで構成されている。

　なお、車両に搭載される補機バッテリの電圧は従来１２Ｖが一般的であったが、本実施形態では主に、今後、電気自動車で採用される予定である２４Ｖ又は４８Ｖを想定する。図中及び以下の明細書中の「２４Ｖ／４８Ｖ」は「２４Ｖ又は４８Ｖ」を意味する。ただし、１２Ｖのバッテリを用いる場合でも本実施形態の構成は基本的に同様である。本実施形態は、電気自動車に限らずエンジン車に適用されてもよい。

　具体的には、電動パワーステアリング装置のＥＣＵがモータ駆動装置として機能する。ＥＣＵは、マイコンやカスタマイズされた統合ＩＣ等で構成され、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ、及び、これらの構成を接続するバスライン等を備えている。ＥＣＵは、ＲＯＭ等の実体的なメモリ装置（すなわち、読み出し可能非一時的有形記録媒体）に予め記憶されたプログラムをＣＰＵで実行することによるソフトウェア処理や、専用の電子回路によるハードウェア処理による制御を実行する。

　（第１実施形態）
　図１に第１実施形態のモータ駆動装置１０１の構成を示す。モータ駆動装置１０１は、インバータ６０、三相プリドライバ回路４０、「制御部」としてのマイコン３０、複数のモータリレー７１、７２、７３等を備える。図１には一系統のモータ駆動装置１０１の構成を例示するが、二系統以上の冗長構成であってもよい。例えば二系統のモータ駆動装置では、二組の巻線組を有する二重巻線モータに対し二つのインバータから電力供給する。

　インバータ６０は、バッテリ１５の正極に接続される電源ラインＬｐと、バッテリ１５の負極に接続されるグランドラインＬｇとの間に設けられる。インバータ６０は、電源ラインＬｐとグランドラインＬｇとの間に直列接続された、三相の上下アームのスイッチング素子６１－６６を含む。詳しくは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の上アームのスイッチング素子６１、６２、６３及び下アームのスイッチング素子６４、６５、６６がブリッジ接続されている。本実施形態では、インバータ６０のスイッチング素子６１－６６としてＭＯＳＦＥＴが用いられる。本実施形態で用いられるＭＯＳＦＥＴは基本的にＮチャネル型である。

　各相の上下アームのスイッチング素子の接続点を「アーム間接続点Ｎｕ、Ｎｖ、Ｎｗ」と定義する。アーム間接続点Ｎｕ、Ｎｖ、Ｎｗは、それぞれモータ８０の三相巻線８１、８２、８３に接続されている。インバータ６０は、バッテリ１５の直流電力を変換して三相巻線８１、８２、８３に供給する。例えばＹ結線のモータ８０の場合、三相巻線８１、８２、８３は中性点Ｎｍで接続されている。なお、三相巻線８１、８２、８３はΔ結線されてもよい。

　インバータコンデンサ５６は、電源ラインＬｐとグランドラインＬｇとの間にインバータ６０と並列に接続され、インバータ６０に印加される電圧が充電される。モータ駆動装置１０１の通常動作時、インバータコンデンサ５６は平滑コンデンサとして機能する。

　インバータ６０のバッテリ１５側には、ノイズ対策用ＬＣフィルタ回路を構成するフィルタコンデンサ１６及びチョークコイル（インダクタ）１７が設けられている。フィルタコンデンサ１６及びインバータコンデンサ５６は、例えば有極性のアルミ電解コンデンサで構成されている。チョークコイル１７は電源ラインＬｐに設けられている。

　図１の構成では、チョークコイル１７とインバータ６０との間の電源ラインＬｐに逆接続保護リレー５２が接続されている。逆接続保護リレー５２は、バッテリ１５側からインバータ６０側への電流を導通する還流ダイオードが並列接続されており、ＯＦＦ時にインバータ６０側からバッテリ１５側への電流を遮断する。例えばＭＯＳＦＥＴで構成された逆接続保護リレー５２では、ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードが還流ダイオードとして機能する。他の構成例では逆接続保護リレー５２はグランドラインＬｇに設けられてもよい。

　また他の構成例では、二点鎖線で示すＸの位置、すなわち逆接続保護リレー５２のバッテリ１５側に電源リレーが設けられてもよい。その場合、電源リレーは、インバータ６０側からバッテリ１５側への電流を導通する還流ダイオードが並列接続されており、ＯＦＦ時にバッテリ１５側からインバータ６０側への電流を遮断する。

　モータリレー７１、７２、７３は、各相のアーム間接続点Ｎｕ、Ｎｖ、Ｎｗと三相巻線８１、８２、８３との間のモータ電流経路に設けられる。モータリレー７１、７２、７３は、半導体スイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴで構成されている。寄生ダイオードは、アーム間接続点Ｎｕ、Ｎｖ、Ｎｗから三相巻線８１、８２、８３への電流を導通する。モータリレー７１、７２、７３は、ＯＦＦ時にモータ８０側からインバータ６０側への電流を遮断する。

　図示を省略するが、インバータ６０又は各相モータ電流経路には相電流を検出する電流センサが設けられる。モータ駆動装置１０１の通常動作時、マイコン（制御部）３０は、モータ８０が指令トルクを出力するように、相電流検出値及びモータ回転角に基づく電流フィードバック制御によりインバータ６０の駆動信号を演算する。なお、マイコン３０による制御部としての機能の一部を統合ＩＣが分担してもよい。また二系統構成の場合、各系統のマイコンの間で制御情報を相互に通信してもよい。

　続いて、図１と共に図２を参照する。図２には特に三相プリドライバ回路４０の構成、及び、モータリレー７１、７２、７３の駆動構成を示す。三相プリドライバ回路４０は、バッテリ１５から供給される電圧により動作し、インバータ６０の複数のスイッチング素子６１－６６を駆動する。マイコン３０は、三相プリドライバ回路４０に駆動信号を指令し、インバータ６０から三相モータ８０への通電を制御する。

　三相プリドライバ回路４０には、チョークコイル１７後の電源ラインＬｐから２４Ｖ／４８Ｖの電源電圧が供給される。図２では、２４Ｖ／４８Ｖの電源電圧を「ＰＩＧ」と記す。また、電源ラインＬｐから降圧レギュレータ１８を経由して１２Ｖの電源電圧が供給される。バッテリ電圧が１２Ｖの場合、降圧レギュレータ１８は不要である。

　三相プリドライバ回路４０は、バッテリ電圧を昇圧するチャージポンプ４３を有する。チャージポンプ４３の出力電圧をチャージポンプ電圧Ｖｃｐと記す。また、降圧レギュレータ１８を経由して入力される１２Ｖの電圧を非昇圧電圧Ｖｎｂと記す。チャージポンプ電圧Ｖｃｐは、上アーム（ハイサイド）スイッチング素子６１－６３のゲートに出力される。非昇圧電圧Ｖｎｂは、下アーム（ローサイド）スイッチング素子６４－６６のゲートに出力される。図中の「ＨＳ」はハイサイド、「ＬＳ」はローサイドを示す。

　三相プリドライバ回路４０に電源電圧が供給されている間、チャージポンプ４３は、コンデンサＣｃｐに充電された電圧を重畳させ、基本的に常時一定の電圧を出力し続ける。三相プリドライバ回路４０への電源電圧の供給が途絶えた場合、又は、チャージポンプ電圧Ｖｃｐが上限閾値を超えるか下限閾値を下回った場合、三相プリドライバ回路４０内のロジック回路によりチャージポンプ４３の動作が停止する。

　本実施形態では、チャージポンプ４３の出力端が各相のモータリレー７１、７２、７３のゲートに接続されている。例えば第１実施形態の構成では、チャージポンプ４３の出力端に接続された三相共通のチャージポンプ電圧経路４６から各相のチャージポンプ電圧経路４６１、４６２、４６３が分岐して、各相のモータリレー７１、７２、７３のゲートに接続されている。

　これにより、チャージポンプ４３の動作中、マイコン３０から指令（すなわち、後述の遮断信号）がある場合を除き、各相のモータリレー７１、７２、７３はチャージポンプ４３の出力電圧ＶｃｐによりＯＮする。つまり、モータリレー専用のドライバ回路を用いず、インバータ６０の上アームスイッチング素子６１－６３の駆動に必要なチャージポンプ電圧Ｖｃｐを利用してモータリレー７１、７２、７３をＯＮすることができる。

　また、チャージポンプ４３の動作中に意図的にモータリレー７１、７２、７３をＯＦＦするため、第１実施形態では、三相共通のチャージポンプ電圧経路４６とグランドとの間に、ＭＯＳＦＥＴで構成された、三相共通のゲート遮断スイッチ４７が設けられている。第１実施形態では、マイコン３０から三相共通の遮断信号が入力されたとき、ゲート遮断スイッチ４７がＯＮし、チャージポンプ電圧経路４６を接地させる。その結果、チャージポンプ４３の出力端からモータリレー７１、７２、７３に供給されるゲート電圧が遮断され、モータリレー７１、７２、７３は同時にＯＦＦする。

　三相モータ８０の通常の動作では、三相巻線８１、８２、８３への通電を同時に開始し同時に停止する。また外力により発生した逆起電力がモータ８０からインバータ６０を経由してバッテリ１５側に回生する場合、三相に同じタイミングで回生電流が流れると考えられる。このような場合、三相共通の遮断信号でモータリレー７１、７２、７３をＯＦＦすることが有効である。

　さらに図１の構成例では、チャージポンプ４３の出力端が別のチャージポンプ電圧経路４５を介して逆接続保護リレー５２のゲートに接続されている。したがって、逆接続保護リレー５２についても同様に、専用のドライバ回路を用いず、チャージポンプ電圧Ｖｃｐを利用してＯＮすることができる。ただし、本実施形態において逆接続保護リレー５２の駆動は補足的事項である。図２では逆接続保護リレー５２の図示を省略する。

　ここで図６を参照し、比較例のモータ駆動装置１０９と対比しつつ第１実施形態の効果について説明する。比較例のモータ駆動装置１０９は、マイコン３０からの駆動信号に基づき、モータリレー７１、７２、７３と逆接続保護リレー５２とを共通に駆動可能なリレードライバ回路４９を備える。比較例のモータ駆動装置１０９は、特許文献１（特開２０１４－４５５７６号公報、対応ＵＳ公報：ＵＳ２０１４／０５５０５９Ａ１）の従来技術に基づくものである。

　比較例ではモータリレー７１、７２、７３と逆接続保護リレー５２とのドライバ回路を共通にすることで小型化、高集積化が図られているものの、リレー専用のドライバ回路が必要であることに変わりはない。したがって、装置が大型化、コストアップする。

　それに対し第１実施形態ではチャージポンプ４３の出力電圧Ｖｃｐによりモータリレー７１、７２、７３を駆動するため、モータリレー専用のドライバ回路が不要となる。したがって、簡易な構成でモータリレー７１、７２、７３を駆動することができる。また、バッテリ電圧が例えば１２Ｖから２４Ｖ／４８Ｖに高圧化された場合、インバータ６０の駆動用にチャージポンプ電圧Ｖｃｐが高圧化されることに伴ってモータリレー７１、７２、７３も駆動可能となる。

　（第２実施形態）
　図３を参照し、第２実施形態について説明する。以下の第２～第４実施形態で参照される図３～図５は、第１実施形態の図２に準じ、モータリレー７１、７２、７３の駆動構成を示す。第２実施形態のモータ駆動装置１０２では、各相のチャージポンプ電圧経路４６１、４６２、４６３とグランドとの間に、ゲート遮断スイッチ４７１、４７２、４７３が相毎に設けられている。

　各ゲート遮断スイッチ４７１、４７２、４７３は、マイコン３０からの遮断信号が入力されたときＯＮし、チャージポンプ電圧経路４６１、４６２、４６３を接地させることで、各相のモータリレー７１、７２、７３を個別にＯＦＦする。つまり、マイコン３０からの相毎の遮断信号に基づいて、ゲート遮断スイッチ４７１はＵ相モータリレー７１、ゲート遮断スイッチ４７２はＶ相モータリレー７２、ゲート遮断スイッチ４７３はＷ相モータリレー７３に供給されるゲート電圧を個別に遮断可能である。

　第２実施形態においても通常に三相の通電を同時に停止する場合、マイコン３０は三相同時に遮断信号を出力する。一方、例えば三相のうち一相のインバータスイッチング素子や電流センサ等が故障したとき、正常な二相で駆動する技術がある。その場合、第２実施形態では、駆動を停止させる相のモータリレーのみを個別に遮断することができる。

　なお、電動パワーステアリング装置に適用される冗長二系統構成のモータ駆動装置では、一方の系統の一相が故障したとき、異常系統全体を停止し、正常な一系統の駆動に切り替えることが普通である。したがって、三相駆動から二相駆動への切り替えは、主に一系統構成のモータ駆動装置において有用である。

　（第３実施形態）
　図４を参照し、第３実施形態について説明する。第３実施形態のモータ駆動装置１０３では、各相のチャージポンプ電圧経路４６１、４６２、４６３の途中にゲート遮断スイッチ４７１、４７２、４７３が設けられている。ゲート遮断スイッチ４７１、４７２、４７３は、マイコン３０からの相毎の遮断信号に基づいてチャージポンプ電圧経路４６１、４６２、４６３を遮断することで、各相のモータリレー７１、７２、７３を個別に遮断可能である。第３実施形態でも第２実施形態と同様の作用効果が得られる。

　なお、第１実施形態の図１における三相共通のチャージポンプ電圧経路４６の途中に、第３実施形態と同様の方式による共通のゲート遮断スイッチ４７を設けてもよい。

　（第４実施形態）
　図５を参照し、第４実施形態について説明する。第４実施形態のモータ駆動装置１０４ではモータリレー７１、７２、７３のゲート遮断スイッチが設けられない。その代わり、マイコン３０からチャージポンプ４３の動作を停止する信号が出力される。チャージポンプ４３は動作停止後に残電圧が残らないように回路が構成されている。マイコン３０は、チャージポンプ４３に停止信号を出力することで、インバータ６０の動作を停止するとともに各相のモータリレー７１、７２、７３を一括してＯＦＦする。この構成でもモータリレー７１、７２、７３を意図的にＯＦＦすることができる。

　（その他の実施形態）
　（ａ）本開示のモータ駆動装置は逆接続保護リレーを備えなくてもよい。また、チャージポンプ電圧Ｖｃｐにより各相のモータリレー７１、７２、７３を駆動しさえすればよく、チャージポンプ電圧Ｖｃｐにより逆接続保護リレーを駆動しなくてもよい。

　（ｂ）モータリレー７１、７２、７３やゲート遮断スイッチ４７、４７１、４７２、４７３は、ＭＯＳＦＥＴに限らず、バイポーラトランジスタ等の他の半導体スイッチング素子等で構成されてもよい。

　（ｃ）多相モータ及び多相プリドライバ回路の相の数は三相に限らず、二相、又は四相以上であってもよい。

　（ｄ）本開示のモータ駆動装置は、電動パワーステアリング装置以外の車載装置や、車両に搭載される装置以外の各種多相モータの駆動装置に適用されてもよい。

　以上、本開示はこのような実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。

　本開示に記載の制御部及びその手法は、コンピュータプログラムにより具体化された一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。あるいは、本開示に記載の制御部及びその手法は、一つ以上の専用ハードウェア論理回路によってプロセッサを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。もしくは、本開示に記載の制御部及びその手法は、一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリと一つ以上のハードウェア論理回路によって構成されたプロセッサとの組み合わせにより構成された一つ以上の専用コンピュータにより、実現されてもよい。また、コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されるインストラクションとして、コンピュータ読み取り可能な非遷移有形記録媒体に記憶されていてもよい。

　本開示は実施形態に準拠して記述された。しかしながら、本開示は当該実施形態および構造に限定されるものではない。本開示は、様々な変形例および均等の範囲内の変形をも包含する。また、様々な組み合わせおよび形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせおよび形態も本開示の範疇および思想範囲に入るものである。

Claims (3)

1. 　バッテリ（１５）に接続される電源ライン（Ｌｐ）とグランドライン（Ｌｇ）との間に直列接続された複数相の上下アームのスイッチング素子（６１－６６）を含み、前記バッテリの直流電力を変換して多相モータ（８０）に供給するインバータ（６０）と、
   　前記バッテリから供給される電圧により動作し、前記インバータの複数のスイッチング素子を駆動する多相プリドライバ回路（４０）と、
   　前記多相プリドライバ回路に駆動信号を指令し、前記インバータから前記多相モータへの通電を制御する制御部（３０）と、
   　半導体スイッチング素子で構成され、各相の上下アームのスイッチング素子の接続点であるアーム間接続点（Ｎｕ、Ｎｖ、Ｎｗ）と前記多相モータの各相巻線（８１、８２、８３）との間に設けられ、ＯＦＦ時に前記多相モータ側から前記インバータ側への電流を遮断する複数のモータリレー（７１、７２、７３）と、
   　を備え、
   　前記多相プリドライバ回路は、前記バッテリの電圧を昇圧するチャージポンプ（４３）を有し、
   　前記チャージポンプの出力端は、各相の前記モータリレーのゲートに接続されており、
   　前記チャージポンプの動作中、前記制御部から指令がある場合を除き、各相の前記モータリレーは前記チャージポンプの出力電圧によりＯＮするモータ駆動装置。
2. 　前記制御部からの遮断信号が入力されたとき、前記チャージポンプの出力端から前記モータリレーに供給されるゲート電圧を遮断する一つ以上のゲート遮断スイッチ（４７、４７１、４７２、４７３）をさらに備える請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 　前記ゲート遮断スイッチは相毎に設けられており、前記制御部からの相毎の遮断信号に基づいて各相の前記モータリレーに供給されるゲート電圧を個別に遮断可能である請求項２に記載のモータ駆動装置。

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