JP2017093056A - 電力変換装置及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents

電力変換装置及び電動パワーステアリング装置 Download PDF

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Abstract

【課題】電力変換装置のアーム故障に対して、複数のインバータに分配した出力によって、出力トルクの脈動を抑制し、かつ、故障による合計出力の減少分を抑えたインバータの制御を可能にする。
【解決手段】電力変換装置は、互いに独立した第１巻線１１及び第２巻線１２を有する冗長モータ１を駆動する電力変換装置において、第１巻線に接続される第１インバータ回路２１と、第２巻線に接続され、第１インバータ回路とは独立して設けられる第２インバータ回路２２と、第１インバータ回路と第１巻線との間に設けられる第１相リレーと、を備え、第１インバータ回路を構成する複数のアームのうちの、いずれかのアームが故障した場合に、第１相リレーが当該故障したアームと第１巻線との間の通電を遮断するとともに、第１インバータ回路を構成するその他のアームと、第２インバータ回路との動作により冗長モータを駆動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置及び電力変換装置を搭載した電動パワーステアリング装置に関し、特に複数台のインバータ回路を並列接続した電力変換装置に関する。
インバータ等の電力変換装置は、多相の回転電機の電流をパルス幅変調（ＰＷＭ）により制御する。回転電機が三相モータの場合には、三相の巻線にそれぞれ印加する電圧指令値とＰＷＭの基準となるキャリア信号を比較して、三相インバータのスイッチング素子のオンとオフを切り替えることで、三相の巻線電流が制御される。三相モータの出力トルク及び回転速度は、三相の巻線電流により、所望の値に制御される。
広く普及している三相インバータは、上下に直列接続した２つのスイッチング素子により上アームと下アームを構成し、この２アームを１レグとした３つのレグで構成されている。１つのレグは三相のうちの１相に対応し、三相にそれぞれ対応させたレグが、電気角１２０度の位相差を持って１周期（電気角３６０度）の交流電圧および電流を出力するように制御される。
三相インバータの故障において、アームの短絡（ショート）及び開放（オープン）故障が発生する。これらは、故障が発生した当該アームに対するスイッチング素子の状態が、故障後に短絡するか、開放するかを意味している。開放の場合は、故障アームをオンにできず、所望の電圧が印加できないだけである。これとは逆に、短絡の場合には故障アームが常時オンとなるため、故障アームをオフにできないために、モータの回転子位相によっては回生電流が流れ、その結果、モータにはブレーキトルクが発生することになる。
特許文献１に記載の従来例１は、複数の系統を有するインバータとモータにおいて、故障した系統におけるブレーキトルクに関する課題が示されている。この解決手段として、故障系統の全ての相をオフとして、ブレーキトルクを低減するように非故障系統を駆動する方法について述べている。
特開２０１１−０７８２３０号公報
特許文献１では、故障系統の全相をオフとしても発生するブレーキトルクに対し、非故障系統が前記ブレーキトルクを反転したトルク指令値または電流指令値を用いて相殺する内容が開示されている。しかし、１系統の出力できるトルクの上限を１００％とした場合に、１系統で故障系統を含む２系統分の出力を発生させるため、２系統で最大５０％の出力となる。さらには、ブレーキトルクの発生量に応じて、２系統の合計出力が５０％未満になる場合もあり、トルク出力５０％を得たい条件ではトルク脈動を生じる問題があり、この問題に関する技術の開示はない。つまり、従来例１に示された方法では、複数系統のインバータの駆動において、故障系統に発生するブレーキトルクの抑制と、Ｎ系統における（１００×（Ｎ−１）／Ｎ）［％］の出力は両立しない（Ｎは２以上の整数）。
上記の課題に鑑み、本発明は、電力変換装置のアーム故障に対して、複数のインバータに分配した出力によって、出力トルクの脈動を抑制し、かつ、故障による合計出力の減少分を抑えたインバータの制御を可能にすることを目的とする。
本発明の電力変換装置は、互いに独立した第１巻線及び第２巻線を有する冗長モータを駆動する電力変換装置において、前記第１巻線に接続される第１インバータ回路と、前記第２巻線に接続され、前記第１インバータ回路とは独立して設けられる第２インバータ回路と、前記第１インバータ回路と前記第１巻線との間に設けられる第１相リレーと、を備え、前記第１インバータ回路を構成する複数のアームのうちのいずれかのアームが故障した場合に、前記第１相リレーが当該故障したアームと前記第１巻線との間の通電を遮断するとともに、前記第１インバータ回路を構成するその他のアームと前記第２インバータ回路との動作により前記冗長モータを駆動する。
本発明によれば、電力変換装置のアーム故障に対して、複数のインバータに分配した出力によって、出力トルクの脈動を抑制し、かつ、故障による合計出力の減少分を抑えたインバータの制御を可能にする。
第１実施形態の全体構成図 インバータの回路構成 インバータの出力ベクトル １相故障時のインバータの出力ベクトル ２系統のインバータ出力 第２実施形態の全体構成図 ｎ系統のインバータ出力 第３実施形態の構成図
以下、図面を参照して、本発明に係る電力変換装置の実施の形態について説明する。なお、各図において同一要素については同一の符号を記し、重複する説明は省略する。
（第１の実施形態）
図１に、本実施例における電力変換装置と回転電機についての構成の全体図を示す。本実施形態では、電力変換装置として、インバータ回路が２系統の例を用いて説明する、ただし、Ｎを２以上の整数としてＮ系統となる複数の系統においても本発明は同様に適用が可能である。
図１のモータ１は、第１巻線１１と第２巻線１２の独立した２巻線を有している。モータ１は、固定子を介して１つの回転子を共有する磁気回路を有している。
第１インバータ２１は、第１巻線１１に接続される。第２インバータ２２は、第２巻線１２に接続される。第１インバータ２１及び第２インバータ２２は、制御手段３が出力する駆動信号に基づいて駆動される。また、第１インバータ２１と第２インバータ２２は、直流電源４に並列に接続される。第１インバータ２１及び第２インバータ２２は、直流電源４からの直流入力を、交流へと変換し、モータ１に出力する。
図２に、第１インバータ２１及び第２インバータ２２の回路構成を示す。第１インバータ２１及び第２インバータは、同様の回路構成であるため、ここでは共通してインバータ２として図示している。図２のインバータ２は、第１インバータ２１と第２インバータ２２の主回路部を示している。
インバータ２は、正極入力Ｐと負極入力Ｎから直流が入力され、Ｕ相出力ＵＩ、Ｖ相出力ＶＩ、Ｗ相出力ＷＩから三相交流が出力される。Ｕ相出力ＵＩには、上アームＳｕｐと下アームＳｕｎが接続される。Ｖ相出力ＶＩには、上アームＳｖｐと下アームＳｖｎが接続される。Ｗ相出力ＷＩには、上アームＳｗｐと下アームＳｗｎが接続される。
また、インバータ２は、相リレー２３を介してモータ１に接続される。相リレー２３は、Ｕ相出力ＵＩと接続されるＵ相リレーＲＬＹＵと、Ｖ相出力ＶＩと接続されるＶ相リレーＲＬＹＶと、Ｗ相出力ＷＩと接続されるＷ相リレーＲＬＹＷと、で構成される。相リレー２３は、機械式の接点リレーであってもよく、スイッチング素子を用いた電子式の無接点リレーであっても良い。この相リレー２３は、インバータ２またはモータ１の故障時に開放することで、モータ１にブレーキトルクが発生することを抑制する。
図１に示す制御手段３は、モータ１の第１巻線１１と第２巻線１２に流れる電流の検出値と、モータ１の回転子の位相情報とに基づき、モータ１のトルクおよび回転速度を制御する出力を決定する。そして、制御手段３は、第１インバータ２１及び第２インバータ２２のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成する。この駆動信号は、所望の駆動波形となる電圧指令値もしくは電流指令値の交流信号を、キャリア信号でＰＷＭ変調し、インバータ素子のオンとオフの２値で構成されるスイッチング信号として与えられる。
ここで、モータ１の電流値は、三相の電流値を検出する相電流センサや、直流電源４と第１インバータ２１のＮ１および第２インバータ２２のＮ２の間にそれぞれ直列接続されるシャント抵抗に流れる電流値から三相電流を再現する方法のいずれを用いても求めても良い。また、モータ１の回転子の位相情報の検出手段は、レゾルバ、ＧＭＲセンサ、ＴＭＲセンサ、エンコーダ、ホールＩＣ等の検出手段であっても、モータ１の誘起電圧や回転子の位置依存性を利用するいわゆる回転位置センサレス制御による位相推定手段であっても良い。
図３に、インバータ２の出力ベクトルを示す。三相出力のベクトルはそれぞれ電気角で１２０度の位相を持って電圧を出力するように制御される。出力ベクトルは、数式１に示すＶ１からＶ６ベクトルと、Ｖ０及びＶ７ベクトルとからなる。例えば、Ｖ１ベクトルは、数式１のＶ（１、０、０）で定義され、Ｕ相上アームがオン、Ｖ相とＷ相は下アームがオンであることを意味している。以降は、出力ベクトルＶｎを、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の順に上アームをオンで「１」、オフで「０」として表記する。このとき、下アームはそれぞれオフで「０」、オンで「１」となる。また、デッドタイムは無視して考えることとする。このように、３６０度の範囲を６０度ずつに６分割したａからｆまでの位相範囲で、出力ベクトルを制御することでモータ１の回転磁界を発生可能になる。
Figure 2017093056
図４に、Ｗ相の上下アームいずれかが故障し、相リレー２３の該当相であるＲＬＹＷをオフとしてＷ相の出力ベクトルが発生できなくなった場合を考える。Ｗ相の故障により出力できなくなるのはＶ５ベクトルであり、図４に示す区間ｄと区間ｅの１２０度の範囲の出力ベクトルが発生できない。
図５に、出力ベクトルの位相を示す。図４に示すＷ相の故障において、出力不可となるのは、区間ｄと区間ｅの位相範囲であり、残る区間ａ、ｂ、ｃ、ｆについては、出力可能である。図５の系統ＡをＷ相の故障した系統とし、系統Ｂを正常な系統とする。なお、系統Ａ及び系統Ｂは、一方が図１のインバータ２１で、他方がインバータ２２となる。
故障系統である系統Ａでは、出力Ｈを出力するが、Ｗ相の故障により１２０度の範囲（区間ｄ、ｅ）においては出力ができず、ゼロ出力となる。これに対して、正常な系統である系統Ｂで、３６０度に渡って出力Δｔを出力しながら、系統Ａで出力不可となる１２０度の範囲（区間ｄ、ｅ）において、出力Ｈを加算して出力（Ｈ＋Δｔ）とする。これにより、系統Ａと系統Ｂの合計出力は、全区間を通して、出力（Ｈ＋Δｔ）を得る。
上記のΔｔは、位相１周期における平均値が正常時の最大値Ｈ以下である場合に、数式２を満たすように求められる。
Figure 2017093056
数式２にもとづく出力（Ｈ＋Δｔ）がスイッチング素子の電流許容上限値を超えない範囲とすることで、合計出力が（Ｈ＋Δｔ）となる出力を３６０度範囲にわたって脈動を抑えながら出力することが可能になる。これにより、モータ１の出力トルクの脈動を抑制した制御が可能になる。
上述したように、本実施形態にかかる電力変換装置は、系統ＡにおけるＷ相のアームが故障した場合であっても、Ｗ相アームに接続された相リレーＲＬＹＷを遮断し、系統Ａにおいて故障した相以外の相であるＵ相及びＶ相のアームは駆動させている。系統ＡのＷ相アームの故障によって生じる欠落位相の出力は、正常な系統Ｂとの協調動作により、トルク変動を抑えるように補われる。これにより、故障系統に発生するブレーキトルクを抑制しつつ、モータへの出力の減少も抑えることができる。
（第２の実施形態）
図６に、ｎを２以上の整数とした場合のｎ系統における全体構成図を示す。本実施形態では、インバータは２１、２２、・・・、２ｎのｎ系統が並列に接続され、モータ１には第１巻線１１、第２巻線１２、・・・、第ｎ巻線１ｎが独立に巻回される。このときの各系統におけるインバータ出力は、図７のように表される。
インバータ２１、２２、・・・、２ｎのうちのいずれか１系統が故障し、（ｎ−１）系統で故障系統の出力分を割り振る場合には、一つの系統あたりの追加となる配分を当分とすると，数式３を満たすように決定する。
Figure 2017093056
さらに，（ｎ−１）個の非故障系統の各出力をΔｔｋとすると，数式３に示した配分との合計は数式４となる。
Figure 2017093056
これより，電気角３６０度における平均出力は数式５を満たせば良い。
Figure 2017093056
つまり，一つの系統あたりの負担を抑制しつつ，各出力Δｔｋを大きくすることが可能になる。これにより、ｎ系統におけるインバータあたりの負担を小さくすることができ、より長い時間、合計出力を大きく出力することができる。
（第３の実施形態）
図８は、車両の進行方向を操舵する電動パワーステアリング装置に関する実施形態を示している。電動パワーステアリング装置は、上述の実施形態にかかる電力変換装置１０１を備える。
ドライバがステアリングホイール２０１を操作すると、その操舵トルクはトルクセンサ２０２により検出される。当該操舵トルクに基づき、電力変換装置１０１はモータ１０２を駆動する。モータ１０２による電動アシストトルクは、ステアリングアシスト機構２０３に入力され、ドライバの操舵トルクと共にステアリング機構２０４を駆動する。これによりタイヤ２０５が転舵し、車両の進行方向を操舵することができる。
本実施形態の電動パワーステアリング装置は、多系統のインバータ回路を備える電力変換装置１０１のうちの１系統の故障発生に対し、残る系統に不足分を分配して出力することで、モータのトルク脈動を抑制する。これにより、モータ１０２を高性能に駆動し、結果としてステアリングホイール２０１の操作量に対する電動アシストの操舵力を滑らかに発生させることが可能になる。
１ ：モータ
１１：第１巻線
１２：第２巻線
２ ：インバータ
２１：インバータ
２２：インバータ
２３：相リレー
４ ：直流電源
１００：モータ駆動システム
１０１：電力変換装置
１０２：モータ
２０１：ステアリングホイール
２０２：トルクセンサ
２０３：ステアリングアシスト機構
２０４：ステアリング機構
２０５：タイヤ

Claims (9)

  1. 互いに独立した第１巻線及び第２巻線を有する冗長モータを駆動する電力変換装置において、
    前記第１巻線に接続される第１インバータ回路と、
    前記第２巻線に接続され、前記第１インバータ回路とは独立して設けられる第２インバータ回路と、
    前記第１インバータ回路と前記第１巻線との間に設けられる第１相リレーと、を備え、
    前記第１インバータ回路を構成する複数のアームのうちのいずれかのアームが故障した場合に、前記第１相リレーが当該故障したアームと前記第１巻線との間の通電を遮断するとともに、前記第１インバータ回路を構成するその他のアームと前記第２インバータ回路との動作により前記冗長モータを駆動する電力変換装置。
  2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
    前記故障したアームの分の出力低下を前記第２インバータ回路の動作により補う電力変換装置。
  3. 請求項２に記載の電力変換装置において、
    定常状態における前記第１インバータ回路と前記第２インバータ回路との合計出力が、電気角３６０度の位相範囲を通して略一定である電力変換装置。
  4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の電力変換装置において、
    前記第１インバータ回路は、所定の回転位相において出力が略ゼロとなり、
    前記第２インバータ回路は、前記所定の回転位相における平均出力が、前記所定の回転位相以外の位相における平均出力よりも大きくなるように、動作する電力変換装置。
  5. 請求項４に記載の電力変換装置において、
    前記所定の回転位相は、電気角で１２０度である電力変換装置。
  6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の電力変換装置において、
    前記第２インバータ回路の出力は、当該出力を電気角３６０度の位相範囲で積分した値が前記第２インバータ回路の１００％出力を電気角３６０度の位相範囲で積分した値以下であり、かつ、前記第２インバータ回路を構成するスイッチング素子の電流許容上限値を超えない電流値となる出力である電力変換装置。
  7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の電力変換装置において、
    前記第２インバータ回路は、複数設けられる電力変換装置。
  8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の電力変換装置において、
    前記故障は、短絡故障である電力変換装置。
  9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の電力変換装置と、
    ステアリングホイールの転舵操作量に伴い転舵させる転舵機構と、を備えた電動パワーステアリング装置。
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