JP2013215040A - モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数系統のインバータ部を備え、いずれかのインバータ部が故障したとき故障系統のインバータ部に接続する電源リレーを遮断して電力供給を停止するモータ駆動装置において、外力による回転でモータが発生する誘起電圧によって故障系統の回路素子が破損することを防止するモータ駆動装置を提供する。
【解決手段】 第１系統にて故障検出手段７１がインバータ部５０の故障を検出すると、駆動制御手段４１は、インバータ部５０の駆動を停止する。また、開閉制御手段３１は、電力供給源開閉部２０の第１電源リレー２１をオフし、第２電源リレー２２をオンする。インバータ部５０の駆動が停止した状態で、外力による回転でモータ８００の第１巻線組８０に発生した誘起電圧は、インバータ部５０から第２電源リレー２２を通り、さらに第１電源リレー２１の寄生ダイオードを通ってバッテリ１５へ回生する。これにより、故障系統の回路素子の破損を防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータを駆動するモータ駆動装置に関する。

従来、モータの巻線組に電力を供給する複数のインバータ部を備え、そのうちいずれかのインバータ部または対応する巻線組が故障したとき、正常なインバータ部のみでモータへの電力供給を継続するモータ駆動装置が知られている。
例えば、特許文献１の電動パワーステアリング装置に用いられるモータ駆動装置は、バッテリと２系統のインバータ部とを接続する分路にそれぞれ電源リレーを設けている。そして、いずれかのインバータ部が故障したとき、故障系統のインバータ部に接続する電源リレーを遮断して電力供給を停止することで、正常系統のインバータ部のみでモータを駆動する。

このような電力供給遮断用のリレーは、大きくメカリレーと半導体リレーとに分かれ、スペースやコストの点から半導体リレーが多く用いられる。また半導体リレーの中でも、オン抵抗や飽和電圧の損失の観点等から、１２Ｖ系システムでは主にＭＯＳＦＥＴが使用される。さらに、ＭＯＳＦＥＴは寄生ダイオードを付随しているため、電源の逆接続の可能性を考慮し、寄生ダイオードの還流方向が互いに異なる２つのＭＯＳＦＥＴを直列接続して用いることが一般的である。

特開２０１１−１３１８６０号公報

一般にモータは、回転軸が外力によって回転すると発電機として動作し、誘起電圧を発生する。例えば電動パワーステアリング装置では、走行中にタイヤが障害物へ乗り上げた場合等、モータが外力によって回転するケースが発生し得る。
この場合、電源リレーが通電状態にある正常系統では、誘起電圧によるエネルギーを、インバータ部から電源リレーを経由してバッテリへ回生させることができる。ところが、故障系統では、電源リレーが遮断され、さらにインバータ部の全ての半導体スイッチング素子もオフしているため、誘起電圧を回生させるルートが無い。したがって、誘起電圧が過電圧となり、回路素子が破損するおそれがある。

本発明は上述の課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、複数系統のインバータ部を備え、いずれかのインバータ部が故障したとき故障系統のインバータ部に接続する電源リレーを遮断して電力供給を停止するモータ駆動装置において、外力による回転でモータが発生する誘起電圧によって故障系統の回路素子が破損することを防止するモータ駆動装置を提供することにある。

本発明のモータ駆動装置は、複数相の巻線からなる巻線組を複数組有するモータを駆動するモータ駆動装置であって、複数系統のインバータ部、電力供給源開閉部、故障検出手段、駆動制御手段、及び開閉制御手段を備える。
複数系統のインバータ部は、複数組の巻線組に対応して設けられ、電力供給源から供給される電力を変換して複数組の巻線組に電力を供給する。
電力供給源開閉部は、電力供給源とインバータ部との間に系統毎に設けられ、電力供給源とインバータ部とを電気的に接続し又は遮断する。

故障検出手段は、インバータ部の故障を系統毎に検出する。
駆動制御手段は、故障検出手段によっていずれかの系統のインバータ部の故障が検出されたとき、故障系統のインバータ部の駆動を停止する
開閉制御手段は、故障検出手段によっていずれかの系統のインバータ部の故障が検出されたとき、故障系統について、電力供給源開閉部をインバータ部から電力供給源に向かう回生電流が通電可能な回生通電状態にするように制御する。

ここで、各系統の電力供給源開閉部は、少なくとも１つの第１開閉器と、少なくとも１つの第２開閉器とを直列に接続して構成することができる。第１開閉器は、インバータ部から電力供給源に向かう方向の電流を導通させる寄生ダイオードを付随した半導体スイッチング素子である。第２開閉器は、電力供給源からインバータ部に向かう方向の電流を導通させる寄生ダイオードを付随した半導体スイッチング素子である。

さらに、開閉制御手段は、第１開閉器と第２開閉器とを独立に開閉制御可能であり、故障検出手段によっていずれかの系統のインバータ部の故障が検出されたとき、故障系統について、第１開閉器を遮断しつつ第２開閉器を通電状態とすることが好ましい。

これにより、いずれかの系統のインバータ部が故障中にモータが外力によって回転し誘起電圧を発生した場合、開閉制御手段が電力供給源開閉部を回生通電状態にするため、誘起電圧を電力供給源に回生させることができる。例えば、電動パワーステアリング装置では、いずれかの系統のインバータ部が故障しつつ車両走行している途中にタイヤが障害物へ乗り上げた場合等に、正常系統、故障系統ともに、発生した誘起電圧を電力供給源に回生させることができる。
したがって、誘起電圧によって故障系統の回路素子が破損することを防止することができる。

本発明の一実施形態によるモータ駆動装置の模式図である。 本発明の一実施形態によるモータ駆動装置を適用した電動パワーステアリング装置の概略構成図である。 本発明の一実施形態によるモータ駆動装置の作用を説明する説明図である。

（一実施形態）
以下、本発明によるモータ駆動装置を車両の電動パワーステアリング装置に適用した一実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。

図２に示すように、電動パワーステアリング装置１は、運転者による操舵トルクを補助するための操舵アシストトルクをステアリングシャフト９２に提供する。
ハンドル９１に接続されたステアリングシャフト９２には、操舵トルクを検出するためのトルクセンサ９４が設置されている。ステアリングシャフト９２の先端にはピニオンギア９６が設けられており、ピニオンギア９６はラック軸９７に噛み合っている。ラック軸９７の両端には、タイロッド等を介して一対の車輪９８が回転可能に連結されている。ステアリングシャフト９２の回転運動は、ピニオンギア９６によってラック軸９７の直線運動に変換され、ラック軸９７の直線運動変位に応じた角度について一対の車輪９８が操舵される。

電動パワーステアリング装置１は、操舵アシストトルクを発生する操舵アシストモータ８００、モータ８００の回転出力を減速してステアリングシャフト９２に伝達する「動力伝達手段」としての減速ギア９５、及び、モータ８００を駆動するモータ駆動装置１０から構成される。なお、本実施形態のモータ８００は三相交流ブラシレスモータである。

図１に示すように、モータ８００は、２組の巻線組８０、８５を有する。第１巻線組８０は、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の三相巻線８１、８２、８３から構成され、第２巻線組８５は、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の三相巻線８６、８７、８８から構成される。
モータ駆動装置１０は、「電力供給源」としてのバッテリ１５から供給された電力を変換してモータ８００を駆動する。モータ駆動装置１０は、第１巻線組８０に対応して設けられる第１インバータ部５０を含む第１駆動部１１と、第２巻線組８５に対応して設けられる第２インバータ部６０を含む第２駆動部１２とから構成される。第１駆動部１１と第２駆動部１２とはバッテリ１５に並列に接続される。
以下、駆動部、及びその駆動部と対応する巻線組の組合せの単位を「系統」という。すなわち、本実施形態のモータ駆動装置１０は、「２系統」のモータ駆動装置である。

第１系統の駆動部１１と第２系統の駆動部１２とは、実質的に同一の構成であるので、以下、第１系統の駆動部１１を代表として、詳細な構成について説明する。
第１系統の駆動部１１は、電力供給源開閉部２０、インバータ部５０、及び、開閉制御手段３１、駆動制御手段４１、故障検出手段７１を含む制御部を備えている。これら制御部の各手段は、具体的にはマイコンやプリドライバで構成される。

電力供給源開閉部２０は、バッテリ１５とインバータ部５０との間の電源ラインＬｓに設けられ、バッテリ１５とインバータ部５０とを電気的に接続し又は遮断する。本実施形態では、電力供給源開閉部２０は、１つの第１電源リレー２１と１つの第２電源リレー２２とが直列に接続されて構成される。

「第１開閉器」としての第１電源リレー２１および「第２開閉器」としての第２電源リレー２２は、寄生ダイオードを付随した半導体スイッチング素子である。第１電源リレー２１の寄生ダイオードは、インバータ部５０からバッテリ１５に向かう方向の電流を導通させる。第２電源リレー２２の寄生ダイオードは、バッテリ１５からインバータ部５０に向かう方向の電流を導通させる。

開閉制御手段３１は、例えばマイコンに設けられ、第１電源リレー２１と第２電源リレー２２とを独立に開閉制御する。具体的には、第１電源リレー２１と第２電源リレー２２とを共にオン、又は共にオフするだけでなく、第１電源リレー２１をオフし、第２電源リレー２２をオンするという制御が可能である。
なお、以下の半導体スイッチング素子の開閉の説明で、「オフする」と「遮断する」は同じ意味で用いる。また、「オンする」と「通電する」は同じ意味で用いる。

ここで、バッテリ１５が図１に示すとおりの正しい向きで接続された場合、すなわち、バッテリ１５の正極側に第１電源リレー２１が接続された場合、第１電源リレー２１をオフすると、バッテリ１５からインバータ部５０への電力供給が遮断される。
一方、バッテリ１５が図１に示す向きと逆向きに接続された場合、すなわち、バッテリ１５のグランド側に第１電源リレー２１が接続された場合には、駆動部１１には電圧はかからずスイッチング素子は全てオフする。しかし、第１電源リレー２１の寄生ダイオードを通って電流が流れるため、バッテリ１５とインバータ部５０とを遮断することができない。そこで、この場合、第１電源リレー２１と直列に第２電源リレー２２を接続することで、バッテリ１５からインバータ部５０への電力供給が遮断される。

このように、互いに逆向きの寄生ダイオードを付随する２つの電源リレー２１、２２で電力供給源開閉部２０を構成することで、電源リレー２１、２２を共にオフしたとき、バッテリ１５の接続の向きに拘わらず、バッテリ１５からインバータ部５０への電力供給を遮断することができる。

インバータ部５０は、本実施形態では三相インバータであり、６個の半導体スイッチング素子５１〜５６がブリッジ接続されて構成される。スイッチング素子５１〜５６は、例えばＭＯＳＦＥＴ、すなわち金属酸化物半導体電界効果トランジスタである。
以下、スイッチング素子５１〜５６をＭＯＳ５１〜５６という。ＭＯＳ５１、５４はＵ相の上下アームを、ＭＯＳ５２、５５はＶ相の上下アームを、ＭＯＳ５３、５６はＷ相の上下アームを構成する。ＭＯＳ５１〜５６は、ゲート電位によってソース−ドレイン間がオンまたはオフされる。

上アームのＭＯＳ５１、５２、５３は、ドレインが電源ラインＬｓに接続されている。また、上アームのＭＯＳ５１、５２、５３のソースは、下アームのＭＯＳ５４、５５、５６のドレインに接続されている。下アームのＭＯＳ５４、５５、５６のソースは、シャント抵抗５７、５８、５９を介して接地されている。上アームのＭＯＳ５１、５２、５３と下アームのＭＯＳ５４、５５、５６との接続点は、それぞれ、第１巻線組８０を構成する巻線８１、８２、８３の一端に接続されている。

駆動制御手段４１は、例えばプリドライバで構成される。ＭＯＳ５１〜５６は、駆動制御手段４１からゲートに出力されるスイッチング信号によってオンオフし、第１巻線組８０への通電を切り替える。これにより、インバータ部５０は、バッテリ１５から供給される直流電力を三相交流電力に変換する。
故障検出手段７１は、インバータ部５０の故障、具体的には、ＭＯＳ５１〜５６の短絡故障等を検出し、その検出信号を開閉制御手段３１および駆動制御手段４１に伝送する。

第２系統の駆動部１２は、第１系統と同様に、電力供給源開閉部２５、インバータ部６０、及び、開閉制御手段３２、駆動制御手段４２、故障検出手段７２を含む制御部を備えている。電力供給源開閉部２５は、第１電源リレー２６および第２電源リレー２７から構成される。インバータ部６０は、ＭＯＳ６１〜６６およびシャント抵抗６７〜６９を有する。

このように、モータ駆動装置１０は２つの駆動部１１、１２から構成されているため、仮にいずれか１系統のインバータ部５０、６０や巻線組８０、８５で故障が生じた場合、故障系統の駆動を停止し、正常系統のみを駆動することで、モータ８００の駆動を継続することができる。したがって、電動パワーステアリング装置１において、操舵アシスト力が急に得られなくなることを回避することができる。

次に、２系統のうち１系統が故障したときのモータ駆動装置１０の作用について、図３を参照して説明する。ここでは、第１系統のインバータ部５０が故障し、第２系統のインバータ部６０が正常である場合を仮定する。
第１系統の故障検出手段７１がインバータ部５０の故障を検出すると、その検出信号は開閉制御手段３１および駆動制御手段４１に伝送される。すると、駆動制御手段４１は、すべてのスイッチング素子５１〜５６をオフし、インバータ部５０の駆動を停止する。
また、開閉制御手段３１は、電力供給源開閉部２０の第１電源リレー２１をオフし、第２電源リレー２２をオンする。すなわち、インバータ部５０からバッテリ１５に向かう回生電流が通電可能な回生通電状態にする。

ここで、第１系統のインバータ部５０の駆動が停止した状態で、外力による回転でモータ８００の第１巻線組８０および第２巻線組８５に誘起電圧が発生する状態を仮定する。
まず、正常系統である第２系統について、図３に示すタイミングでは、破線矢印で示すように、Ｖ相およびＷ相の下アームのＭＯＳ６５、６６の寄生ダイオードを上向きに流れる電流は、Ｖ相巻線８７およびＷ相巻線８８を通って第２巻線組８５のスター結線の中性点に流入する。そして、中性点から流出した電流は、Ｕ相巻線８６を通ってＵ相の上アームのＭＯＳ６１の寄生ダイオードを上向きに流れ、電源ラインＬｓに至る。

正常系統では、開閉制御手段３２は、電力供給源開閉部２５の第１電源リレー２６および第２電源リレー２７をいずれもオンしているため、電流は、電源ラインＬｓから第２電源リレー２７および第１電源リレー２６を通ってバッテリ１５へ流れる。したがって、誘起電圧によって駆動部１２の回路素子が破損することを防止することができる。

次に、故障系統である第１系統についても同様に、図３に示すタイミングでは、破線矢印で示すように、Ｖ相およびＷ相の下アームのＭＯＳ５５、５６の寄生ダイオードを上向きに流れる電流は、Ｖ相巻線８２およびＷ相巻線８３を通って第１巻線組８０のスター結線の中性点に流入する。そして、中性点から流出した電流は、Ｕ相巻線８１を通ってＵ相の上アームのＭＯＳ５１の寄生ダイオードを上向きに流れ、電源ラインＬｓに至る。

従来技術によれば、故障系統の開閉制御手段３１は、電力供給源開閉部２０の第１電源リレー２１および第２電源リレー２２をいずれもオフし、バッテリ１５からインバータ部５０への電力供給を遮断する。しかし、この場合、電源ラインＬｓからバッテリ１５への電流回生ルートが無い。その結果、電源ラインＬｓに発生した誘起電圧によって、例えば第２電源リレー２２等の回路素子が破壊されるおそれがある。

そこで、本実施形態のモータ駆動装置１０では、故障系統の開閉制御手段３１は、電力供給源開閉部２０の第１電源リレー２１をオフしつつ第２電源リレー２２をオンするという制御を行う。これにより、電流は、電源ラインＬｓから第２電源リレー２２を通り、さらに第１電源リレー２１の寄生ダイオードを通ってバッテリ１５へ流れる。したがって、正常系統と同様に、誘起電圧によって駆動部１１の回路素子が破損することを防止することができる。

このように、本実施形態のモータ駆動装置１０は、２系統のうち１系統が故障した場合、正常系統、故障系統ともに、モータ８００で発生した誘起電圧をバッテリ１５に回生させることができる。例えば、電動パワーステアリング装置１において、２系統のうち１系統が故障した状態で車両走行している途中にタイヤが障害物へ乗り上げた場合等に発生した回生電圧を、正常系統、故障系統ともにバッテリ１５に回生させることができる。
したがって、誘起電圧によって駆動部１１、１２の回路素子が破損することを防止することができる。

また、第１系統の符号を使って説明すると、開閉制御手段３１は、電力供給源開閉部２０の第１電源リレー２１および第２電源リレー２２を独立に開閉制御し、第１電源リレー２１をオフし、第２電源リレー２２をオンするという制御が可能である。
仮に独立に制御することができないと、第２電源リレー２２をオンする場合には第１電源リレー２１および第２電源リレー２２を同時にオンしなければならず、バッテリ１５から故障系統のインバータ部５０への電力供給を遮断するという機能が得られなくなる。
これに対し、第１電源リレー２１をオフし、第２電源リレー２２をオンする制御をすることで、バッテリ１５から故障系統のインバータ部５０への電力供給を遮断しつつ電流回生ルートを確保することができる。

（その他の実施形態）
（ア）上記実施形態では、「電力供給源開閉部」は、第１電源リレー２１および第２電源リレー２２が１つずつ直列に接続されて構成される。これに対し、第１電源リレー２１、又は第２電源リレー２２の少なくとも一方が２つ以上直列に接続されてもよい。
或いは、「電力供給源開閉部」は、第１電源リレー２１のみで構成されてもよい。この場合、第１電源リレー２１がオフの状態で発生した回生電流は、寄生ダイオードを通ってインバータ部から電力供給源へ流れることができる。

（イ）図１、図３では、第１系統と第２系統との開閉制御手段、駆動制御手段、故障検出手段を、系統毎に分離して記載している。しかし、これは機能的な説明のためであり、必ずしも各手段が物理的に分離していることを意味するものではない。すなわち、各系統の各制御手段は、例えばマイコンのプログラムにおいて一体に構成されてもよい。

（ウ）半導体スイッチング素子は、寄生ダイオードを付随するものであれば、ＭＯＳＦＥＴ以外の素子であってもよい。
（エ）モータ駆動装置の系統数は、２系統に限らず３系統以上であってもよい。また、モータの相の数は、三相に限らず四相以上であってもよい。
（オ）本発明のモータ駆動装置は、電動パワーステアリング装置の操舵アシストモータに限らず、他のモータ用のモータ駆動装置として適用されてもよい。
以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、発明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。

１０ ・・・モータ駆動装置、
１５ ・・・バッテリ（電力供給源）、
２０、２５・・・電力供給源開閉部、
３１、３２・・・開閉制御手段、
４１、４２・・・駆動制御手段、
５０、６０・・・インバータ部
７１、７２・・・故障検出手段
８００ ・・・モータ、
８０、８５・・・巻線組、
８１、８２、８３、８６、８７、８８・・・巻線。

Claims (4)

1. 複数相の巻線（８１、８２、８３、８６、８７、８８）からなる巻線組（８０、８５）を複数組有するモータ（８００）を駆動するモータ駆動装置（１０）であって、
   複数組の前記巻線組に対応して設けられ、電力供給源（１５）から供給される電力を変換して複数組の前記巻線組に電力を供給する複数系統のインバータ部（５０、６０）と、
   前記電力供給源と前記インバータ部との間に系統毎に設けられ、前記電力供給源と前記インバータ部とを電気的に接続し又は遮断する電力供給源開閉部（２０、２５）と、
   前記インバータ部の故障を系統毎に検出する故障検出手段（７１、７２）と、
   前記故障検出手段によっていずれかの系統の前記インバータ部の故障が検出されたとき、故障系統の前記インバータ部の駆動を停止する駆動制御手段（４１、４２）と、
   前記故障検出手段によっていずれかの系統の前記インバータ部の故障が検出されたとき、故障系統について、前記電力供給源開閉部を前記インバータ部から前記電力供給源に向かう回生電流が通電可能な回生通電状態にするように制御する開閉制御手段（３１、３２）と、
   を備えることを特徴とするモータ駆動装置。
2. 前記電力供給源開閉部は、
   前記インバータ部から前記電力供給源に向かう方向の電流を導通させる寄生ダイオードを付随した半導体スイッチング素子である少なくとも１つの第１開閉器（２１、２６）と、
   前記電力供給源から前記インバータ部に向かう方向の電流を導通させる寄生ダイオードを付随した半導体スイッチング素子である少なくとも１つの第２開閉器（２２、２７）と、
   が直列に接続されて構成されることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 前記開閉制御手段は、前記第１開閉器と前記第２開閉器とを独立に開閉制御可能であり、
   前記故障検出手段によっていずれかの系統の前記インバータ部の故障が検出されたとき、故障系統について、前記第１開閉器を遮断しつつ前記第２開閉器を通電状態とすることを特徴とする請求項２に記載のモータ駆動装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のモータ駆動装置と、
   前記モータ駆動装置によって駆動され、運転者の操舵力を補助する操舵アシストトルクを発生する操舵アシストモータ（８００）と、
   前記操舵アシストモータの回転をステアリングシャフトに伝達する動力伝達手段（９５）と、
   を備えることを特徴とする電動パワーステアリング装置（１）。

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