JP6550884B2

JP6550884B2 - モータ駆動装置

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Publication number: JP6550884B2
Application number: JP2015086572A
Authority: JP
Inventors: 林　勝彦; 勝彦林; 崇志鈴木
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2015-04-21
Filing date: 2015-04-21
Publication date: 2019-07-31
Anticipated expiration: 2035-04-21
Also published as: US20160315570A1; JP2016208633A; US9912270B2

Description

本発明は、モータ駆動装置に関する。

従来、トランジスタ等のスイッチング素子が高電位側と低電位側とに直列に接続された構成の駆動回路を有するモータ駆動装置において、パルス幅変調制御（ＰＷＭ制御）により電流を制御する方法が行われる。ＰＷＭ制御では、スイッチング素子がターンオフされた期間において、モータコイルで逆起電力が生じ、オフされたスイッチング素子と対をなすスイッチング素子と並列に設けられる還流ダイオードに電流が流れる。
還流ダイオードに電流が流れることによる電力損失を低減させる方法として、還流ダイオードに電流が流れる期間に、還流ダイオードに並列に接続されるオン抵抗の少ないスイッチング素子を導通させることで、電力損失を低減する同期整流制御が知られている（特許文献１参照）。

特開昭６３−３０４７１５号公報

ところで、同期整流制御を常に行うのではなく、同期整流制御を行っている状態と、行っていない状態とを切り替える場合、切り替えに伴って電流が変動してしまう虞がある。例えばモータ駆動装置が電動パワーステアリング装置に適用される場合、一時的な電流の変動により、ハンドルの向きの変化や運転者の操舵フィーリングの変化に繋がる虞がある。
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、同期整流制御の有無の切り替えに伴う電流変動を抑制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、駆動回路部と、制御部と、を備える。駆動回路部は、ブリッジ接続されＨブリッジ回路を構成する２対のスイッチング素子、および、スイッチング素子に並列に接続される還流ダイオードを有し、スイッチング素子をオンオフすることで、直流電源の電力を変換してモータを駆動する。

制御部は、スイッチング素子のオンオフ作動を制御する。制御部は、変動抑制手段を有する。変動抑制手段は、少なくとも一対のスイッチング素子を相補的にオンオフする同期整流制御を行っている同期整流状態、または、同期整流制御を行っていない非同期整流状態の一方から他方への切り替えに伴う電流変動を抑制する。
同期整流状態におけるデューティ（Ｌｓ）、および、非同期整流制御におけるデューティ（Ｌｎ）は、電流指令値に応じて設定されている。
変動抑制手段は、同期整流状態または非同期整流状態の一方から他方へ切り替えるとき、切替後の整流状態および電流指令値に基づいて切替後デューティを決定する。変動抑制手段は、モータの駆動要求に応じて、モータを正転方向に回転させる場合にスイッチングされるＨブリッジ回路において低電位側に並列接続された一方のスイッチング素子のデューティを切替後デューティに変更し、モータを逆転方向に回転させる場合にスイッチングされるＨブリッジ回路において低電位側に並列接続された他方のスイッチング素子のデューティを切替後デューティに変更する。
これにより、同期整流制御の有無の切り替えに伴う電流変動を抑制することができる。

本発明の第１実施形態によるモータ駆動装置を示す概略構成図である。本発明の第１実施形態において同期整流制御を行わない場合の通電経路を説明する説明図である。本発明の第１実施形態において同期整流制御を行う場合の通電経路を説明する説明図である。本発明の第１実施形態による同期整流制御の有無によるＰＷＭデューティとモータの巻線に流れる電流との関係を説明する説明図である。本発明の第１実施形態による非同期整流状態から同期整流状態へ切り替えを説明するタイムチャートである。本発明の第２実施形態による非同期整流状態から同期整流状態へ切り替えを説明するタイムチャートである。本発明の参考例による非同期整流状態から同期整流状態へ切り替えを説明するタイムチャートである。

以下、本発明によるモータ駆動装置を図面に基づいて説明する。以下、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実施形態）
本発明の第１実施形態によるモータ駆動装置を図１〜図５に示す。
図１に示すように、モータ駆動装置１は、モータ８０の駆動を制御するものである。モータ駆動装置１およびモータ８０は、例えば車両の電動パワーステアリング装置に適用される。モータ８０は、運転者による操舵を補助する補助トルクを出力する。本実施形態のモータ８０は、巻線８１を有する直流モータである。
電流指令部５１は、電流指令部５１は、モータ８０の電気角、操舵トルク、および、車速等の情報に基づき、巻線８１に通電する電流に係る電流指令値を演算する。モータ８０の駆動は、電流指令値に基づいてモータ駆動装置１に制御される。

モータ駆動装置１は、駆動回路部１０、および、制御部４０等を備え、直流電源５０の電力を変換し、モータ８０に出力する。
駆動回路部１０は、スイッチング素子としてのトランジスタ１１〜１４、および、還流ダイオード２１〜２４を有する。
４つのトランジスタ１１〜１４は、ブリッジ接続され、Ｈブリッジ回路を構成している。詳細には、トランジスタ１１とトランジスタ１３とが直列接続され、トランジスタ１２とトランジスタ１４とが直列接続されている。対をなすトランジスタ１１、１３と、トランジスタ１２、１４とが、並列に接続される。
トランジスタ１１、１３の接続点Ｎ１と、トランジスタ１２、１４の接続点Ｎ２との間には、巻線８１が接続される。

トランジスタ１１〜１４には、低電位側から高電位側への電流を導通可能な還流ダイオード２１〜２４がそれぞれ並列に接続される。還流ダイオード２１〜２４は、例えばトランジスタ１１〜１４がＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）等の場合には、素子内部の寄生ダイオードとして構成されてもよい。また、還流ダイオード２１〜２４は、外付けのダイオードであってもよい。

電流検出部３１は、低電位側に接続されるトランジスタ１２、１４の接地側に設けられ、モータ８０に流れる電流を検出する。本実施形態の電流検出部３１は、シャント抵抗である。電流検出部３１の検出値は、オペアンプ等であるバッファ３２を経由して制御部４０にフィードバックされる。

制御部４０は、マイコン、および、プリドライバ等を有し、トランジスタ１１〜１４のオンオフ作動を制御する。なお、制御部４０における各処理は、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であってもよいし、専用の電子回路によるハードウェア処理であってもよい。

制御部４０は、機能ブロックとして、切替判定部４１、変動抑制部４２、および、信号生成部４５を有する。
切替判定部４１は、同期整流制御を行う同期整流状態、または、同期整流制御を行わない非同期整流状態の一方から他方へ切り替えるか否かを、例えば巻線８１の通電量等に応じて判定する。

変動抑制部４２は、同期整流状態から非同期整流状態、または、非同期整流状態から同期整流状態へ切り替えるとき、切り替えに伴って生じる電流の変動を抑制する。電流変動を抑制する変動抑制制御の詳細は、後述する。
信号生成部４５は、トランジスタ１１〜１４のオンオフ作動を制御する駆動信号Ｓ１〜Ｓ４を生成する。

ここで、制御部４０によるモータ駆動制御および同期整流制御について、図２および図３に基づいて説明する。
Ｈブリッジ回路である駆動回路部１０の制御では、モータ８０の回転方向に応じてトランジスタ１１〜１４のスイッチングを制御する。
モータ８０を正転方向に回転させる場合、トランジスタ１１を常時オンにし、トランジスタ１４を電流指令値に応じたデューティでオンオフするＰＷＭ制御を行う。また、電流指令値と、電流検出部３１により検出された電流検出値とを比較し、トランジスタ１４のデューティを増減する。
また、図示はしていないが、モータ８０を逆転方向に回転させる場合、トランジスタ１２を常時オンにし、トランジスタ１３を電流指令値に応じたデューティでオンオフする。以下、モータ８０を正転方向に回転させる場合を例として説明する。

図２は、同期整流制御を行わない場合の動作を示している。図２（ａ）に示すように、トランジスタ１４がオンされているとき、矢印Ｙ１で示すように、トランジスタ１１、巻線８１、トランジスタ１４を経由して電流が流れる。このとき、電流検出部３１に流れる電流が検出され、バッファ３２を経由して制御部４０にフィードバックされる。
図２（ｂ）に示すように、トランジスタ１４がオフされるとき、矢印Ｙ２で示すように、回生電流は、トランジスタ１１、巻線８１、トランジスタ１２と並列に接続される還流ダイオード２２を経由して流れる。

図３は、同期整流制御を行う場合の動作を示している。同期整流制御を行う場合、トランジスタ１２、１４は、相補的にオンオフされる。すなわち、トランジスタ１２は、トランジスタ１４がオンのときにオフされ、トランジスタ１４がオフのときにオンされる。
図３（ａ）に示すように、トランジスタ１２がオフ、トランジスタ１４がオンされているとき、図２（ａ）と同様、矢印Ｙ１で示すように、トランジスタ１１、巻線８１、トランジスタ１４を経由して電流が流れる。
図３（ｂ）に示すように、トランジスタ１２がオン、トランジスタ１４がオフされているとき、回生電流は、矢印Ｙ３で示すように、トランジスタ１１、巻線８１、トランジスタ１２を経由して流れる。

図２および図３にて説明したように、同期整流制御を行っているときの回生電流の通電経路と、同期整流制御を行っていないときの回生電流の通電経路とが異なるので、巻線８１に印加される電圧が変わる。
そのため、図７に示す参考例のように、時刻ｔｘにて同期整流制御を行っていない非同期整流状態から同期整流制御を行う同期整流状態に切り替えると、切り替えに伴って巻線８１に流れる電流が変動する。巻線８１に流れる電流が変動すると、変動を抑制する方向にトランジスタ１４のデューティが変更され、変動が収束していく。
同期整流制御の有無の切り替えに伴う電流変動は、同期整流制御がかかる割合の大きい、トランジスタ１４のデューティが小さい場合により顕著になる。

本実施形態では、モータ駆動装置１が電動パワーステアリング装置に適用されているため、同期整流制御の有無の切り替えに伴う電流変動により、ハンドル舵角や運転者の操舵フィーリングが変化する虞がある。
なお、図７では、非同期整流状態から同期整流状態へ切り替える例を示しているが、同期整流状態から非同期整流状態へ切り替える場合についても同様である。

そこで本実施形態では、変動抑制部４２は、同期整流状態または非同期整流状態の一方から他方に切り替えるとき、電流指令値に応じて、トランジスタ１４のデューティを変更する。
図４は、実線Ｌｓが同期整流制御を行う場合、破線Ｌｎが同期整流制御を行わない場合の電流とデューティとの関係を示している。図４に示すように、同期整流制御の有無により、巻線８１に同じ電流を通電させるためのデューティが異なっている。特に、トランジスタ１４のデューティが小さい場合、巻線８１に通電される電流の差が大きくなる。

本実施形態では、図４に示す如くのマップ等を、制御部４０の図示しない記憶部に予め記憶させておく。そして、同期整流状態または非同期整流状態の一方から他方に切り替えるとき、同期整流制御の有無によらずモータ８０の駆動要求に応じてスイッチングされるトランジスタ（モータ８０を正転方向に回転させる場合はトランジスタ１４）のデューティを変更する。

例えば、電流指令値がＩａであって、同期整流制御の有りから無しに切り替える場合、トランジスタ１４のデューティをＤｓからＤｎに変更する。また、電流指令値がＩａであって、同期整流制御の無しから有りに切り替える場合、トランジスタ１４のデューティをＤｎからＤｓに変更する。
トランジスタ１４のデューティは、同期整流制御無しから有りに変更される場合、小さくなる方向に変更され、同期整流制御有りから無しに変更される場合、大きくなる方向に変更される。すなわち、Ｄｓ＜Ｄｎである。

モータ８０を正転方向に回転させている状態において、同期整流制御の有無を切り替える場合の具体例を図５に示す。図５では、同期整流制御を行っていない状態から、同期整流制御を行う状態へ切り替える場合の例を説明する。図５においては、（ａ）〜（ｄ）が、それぞれトランジスタ１１〜１４のオンオフ状態、（ｅ）が同期整流割合、（ｆ）がトランジスタ１４のＰＷＭデューティ、（ｇ）が巻線８１に流れる巻線電流を示している。本実施形態では、同期整流割合とは、単位時間あたりにおける同期整流状態の時間のパーセンテージとし、同期整流状態である場合、同期整流割合を１００［％］、非同期整流状態である場合、同期整流割合を０［％］としている。図６および図７も同様である。

モータ８０を正転方向に回転させるとき、同期整流制御の有無によらず、トランジスタ１１は常時オンされ、トランジスタ１３は常時オフされる。
同期整流制御を行っていないとき、トランジスタ１２はオフされ、トランジスタ１４は、電流指令値に応じたデューティでオンオフされる。これにより、巻線８１には、電流指令値に応じた電流が通電される。

図５（ｅ）に示すように、時刻ｔｘにて、同期整流制御が行われていない状態から、同期整流制御が行われている状態に切り替える。このとき、図５（ｆ）に示すように、電流指令値に応じ、トランジスタ１４のデューティを変更する。例えば電流指令値がＩａであれば、デューティをＤｎからＤｓに変更する。また、トランジスタ１４がオンされているときにオフ、オフされているときにオンされるように、トランジスタ１４と相補的にトランジスタ１２をオンオフする。
同期整流制御の有無の切り替えに伴い、トランジスタ１４のデューティを同期整流制御の有無に応じたデューティに変更することにより、図５（ｇ）に示すように、巻線８１には、電流指令値に応じた電流が流れ、変動が抑制される。

以上詳述したように、本実施形態のモータ駆動装置１は、駆動回路部１０と、制御部４０と、を備える。
駆動回路部１０は、ブリッジ接続された複数対のトランジスタ１１〜１４、および、トランジスタ１１〜１４に並列に接続される還流ダイオード２１〜２４を有し、トランジスタ１１〜１４をオンオフすることで、直流電源５０の電力を変換してモータ８０を駆動する。

制御部４０は、トランジスタ１１〜１４のオンオフ作動を制御する。
ここで、少なくとも１対のトランジスタを相補的にオンオフする同期整流制御を行っている状態を同期整流状態とし、同期整流制御を行っていない状態を非同期整流状態とする。制御部４０は、変動抑制部４２を有する。変動抑制部４２は、同期整流状態、または、非同期整流状態の一方から他方への切り替えに伴う電流変動を抑制する。
これにより、同期整流制御の有無の切り替えに伴う電流変動を抑制することができる。また、本実施形態のモータ駆動装置１は、電動パワーステアリング装置に適用されるので、電流変動が抑制されることで、ハンドルの向きや運転者の操舵フィーリングの変化を抑制することができる。

変動抑制部４２は、同期整流状態または非同期整流状態の一方から他方へ切り替えるとき、モータ８０の駆動要求に応じてスイッチングされるトランジスタ１４のデューティを変更する。これにより、同期整流制御の有無の切り替えに伴う電流変動を適切に抑制することができる。
本実施形態では、変動抑制部４２が「変動抑制手段」に対応する。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図６に示す。本実施形態では、変動抑制制御が上記実施形態と異なっており、モータ駆動装置１の構成等は、上記実施形態と同様である。
図６に示すように、同期整流状態または非同期整流状態の一方から他方へ切り替える際、移行期間Ｐｔを設ける。移行期間Ｐｔは、所定の期間としてもよいし、通電量等に応じて可変としてもよい。

移行期間Ｐｔにおいては、同期整流状態または非同期整流状態の他方の割合が徐々に大きくなるようにする。すなわち、非同期整流状態から同期整流状態に切り替える場合、同期整流状態の割合が徐々に大きくなるようにし、同期整流状態から非同期整流状態に切り替える場合、非同期整流状態の割合が徐々に大きくなるようにする。

図６は、モータ８０を正転方向に回転させている状態において、同期整流制御を行っていない状態から、同期整流制御を行う状態へ切り替える場合の例である。
図６（ｅ）に示すように、移行期間Ｐｔの開始タイミングである時刻ｔｘから同期整流割合を徐々に増加させ、移行期間Ｐｔの終了タイミングである時刻ｔｙにて同期整流割合が１００％となるようにする。図６（ｅ）に示す例では、同期整流割合を直線的に変更しているが、ステップ状に変更してもよい。
移行期間Ｐｔにおいては、非同期整流状態と同期整流状態とを繰り返し、少しずつ同期整流状態が多くなるようにしていく（図６（ｂ）参照）。

図６（ｆ）に示すように、電流指令値がＩａであるとき、フィードバック制御により、トランジスタ１４のデューティは、ＤｎからＤｓに近づいていく（図４参照）。これにより、図６（ｇ）に示すように、巻線８１に通電される電流の変動が抑制される。
本実施形態では、電流指令値に応じたデューティのマップを同期整流制御の有無について持つ必要がなく、第１実施形態と比較してメモリの使用を抑えることができる。

本実施形態では、変動抑制部４２は、同期整流状態または非同期整流状態の一方から移行期間Ｐｔを経て他方へ切り替えるとき、移行期間Ｐｔにおいて、同期整流状態と非同期整流状態の割合を徐々に変更する。これにより、同期整流状態の有無の切り替えに伴う電流変動を適切に抑制することができる。

（他の実施形態）
（ア）制御部
上記実施形態では、電流指令部から電流指令値を取得する。他の実施形態では、モータの電気角、操舵トルク、および、車速等の情報が制御部に入力され、制御部の内部にて電流指令値を演算するように構成してもよい。すなわち、制御部が電流指令部を有するように構成してもよい。
また、制御部がＡＤコンバータを有し、ＡＤコンバータにて、電流検出部３１の検出値を受けるような構成としてもよい。

（イ）電流検出部
上記実施形態では、電流検出部は、Ｈブリッジ回路の低電位側に設けられる。他の実施形態では、電流検出部をＨブリッジ回路の高電位側に設けてもよいし、モータの巻線と直列に設けてもよい。また、上記実施形態では、電流検出部はシャント抵抗である。他の実施形態では、電流検出部は、シャント抵抗に限らず、例えばホールＩＣ等により構成してもよい。

（ウ）モータ、駆動回路部
上記実施形態では、スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴを用いる例を説明した。他の実施形態では、スイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴ以外の電界効果トランジスタやＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等であってもよい。
上記実施形態では、モータが直流モータであり、駆動回路部はＨブリッジ回路である。他の実施形態では、モータを多相の交流モータとし、駆動回路部を多相インバータとしてもよい。
上記実施形態では、モータは電動パワーステアリング装置に適用される。他の実施形態では、モータを電動パワーステアリング装置以外の装置に適用してもよい。
以上、本発明は、上記実施形態になんら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可能である。

１・・・モータ駆動装置
１０・・・駆動回路部
１１〜１４・・・トランジスタ（スイッチング素子）
２１〜２４・・・還流ダイオード
３１・・・電流検出部
４０・・・制御部
４２・・・変動抑制部（変動抑制手段）
５０・・・直流電源
８０・・・モータ

Claims

ブリッジ接続されＨブリッジ回路を構成する２対のスイッチング素子（１１〜１４）、および、前記スイッチング素子に並列に接続される還流ダイオード（２１〜２４）を有し、前記スイッチング素子をオンオフすることで、直流電源（５０）の電力を変換してモータ（８０）を駆動する駆動回路部（１０）と、
前記スイッチング素子のオンオフ作動を制御する制御部（４０）と、
を備え、
前記制御部は、少なくとも１対の前記スイッチング素子を相補的にオンオフする同期整流制御を行っている同期整流状態、または、前記同期整流制御を行っていない非同期整流状態の一方から他方への切り替えに伴う電流変動を抑制する変動抑制手段（４２）を有し、
前記同期整流状態におけるデューティ（Ｌｓ）、および、前記非同期整流制御におけるデューティ（Ｌｎ）は、電流指令値に応じて設定されており、
前記変動抑制手段は、前記同期整流状態または前記非同期整流状態の一方から他方へ切り替えるとき、切替後の整流状態および電流指令値に基づいて切替後デューティを決定し、前記モータの駆動要求に応じて、前記モータを正転方向に回転させる場合、Ｈブリッジ回路において低電位側に並列接続された一方の前記スイッチング素子（１４）のデューティを前記切替後デューティに変更し、前記モータを逆転方向に回転させる場合、Ｈブリッジ回路において低電位側に並列接続された他方の前記スイッチング素子（１３）のデューティを前記切替後デューティに変更することを特徴とするモータ駆動装置。