KR102066364B1

KR102066364B1 - 전력 변환 장치 및 전동 파워 스티어링 장치

Info

Publication number: KR102066364B1
Application number: KR1020187012489A
Authority: KR
Inventors: 시게히사 아오야기; 도모노부 고세끼
Original assignee: 히다치 오토모티브 시스템즈 가부시키가이샤
Priority date: 2015-11-05
Filing date: 2016-10-31
Publication date: 2020-01-14
Also published as: WO2017077981A1; US10700627B2; JP2017093056A; CN108352802B; US20190074790A1; JP6630539B2; CN108352802A; KR20180064456A; DE112016004440T5

Abstract

본 발명은, 전력 변환 장치의 아암 고장에 대해, 복수의 인버터에 분배한 출력에 의해 출력 토크의 맥동을 억제하고, 또한 고장에 의한 합계 출력의 감소분을 억제한 인버터의 제어를 가능하게 하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 전력 변환 장치는, 서로 독립된 제1 권선 및 제2 권선을 갖는 용장 모터를 구동하는 전력 변환 장치에 있어서, 상기 제1 권선에 접속되는 제1 인버터 회로와, 상기 제2 권선에 접속되고, 상기 제1 인버터 회로와는 독립적으로 설치되는 제2 인버터 회로와, 상기 제1 인버터 회로와 상기 제1 권선 사이에 설치되는 제1 상 릴레이를 구비하고, 상기 제1 인버터 회로를 구성하는 복수의 아암 중 어느 아암이 고장난 경우에, 상기 제1 상 릴레이가 당해 고장난 아암과 상기 제1 권선 사이의 통전을 차단함과 함께, 상기 제1 인버터 회로를 구성하는 그 밖의 아암과 상기 제2 인버터 회로의 동작에 의해 상기 용장 모터를 구동한다.

Description

전력 변환 장치 및 전동 파워 스티어링 장치

본 발명은, 전력 변환 장치 및 전력 변환 장치를 탑재한 전동 파워 스티어링 장치에 관한 것으로, 특히 복수 대의 인버터 회로를 병렬 접속한 전력 변환 장치에 관한 것이다.

인버터 등의 전력 변환 장치는, 다상의 회전 전기 기기의 전류를 펄스 폭 변조(PWM)에 의해 제어한다. 회전 전기 기기가 삼상 모터인 경우에는, 삼상의 권선에 각각 인가하는 전압 지령값과 PWM의 기준이 되는 캐리어 신호를 비교하여, 삼상 인버터의 스위칭 소자의 온과 오프를 전환함으로써, 삼상의 권선 전류가 제어된다. 삼상 모터의 출력 토크 및 회전 속도는, 삼상의 권선 전류에 의해 원하는 값으로 제어된다.

널리 보급되고 있는 삼상 인버터는, 상하에 직렬 접속된 2개의 스위칭 소자에 의해 상부 아암과 하부 아암을 구성하고, 이 2개의 아암을 1레그로 한 3개의 레그로 구성되어 있다. 하나의 레그는 삼상 중 1상에 대응하고, 삼상에 각각 대응시킨 레그가, 전기각 120도의 위상차를 갖고 1주기(전기각 360도)의 교류 전압 및 전류를 출력하도록 제어된다.

삼상 인버터의 고장에 있어서, 아암의 단락(쇼트) 및 개방(오픈) 고장이 발생한다. 이들은, 고장이 발생한 당해 아암에 대한 스위칭 소자의 상태가, 고장 후에 단락되는지, 개방되는지를 의미하고 있다. 개방의 경우는, 고장 아암을 온으로 할 수 없어, 원하는 전압을 인가하지 못하는 것이다. 이와는 반대로, 단락의 경우에는 고장 아암이 상시 온으로 되기 때문에, 고장 아암을 오프로 할 수 없으므로, 모터의 회전자 위상에 따라서는 회생 전류가 흐르고, 그 결과, 모터에는 브레이크 토크가 발생하게 된다.

특허문헌 1에 기재된 종래예 1은, 복수의 계통을 갖는 인버터와 모터에 있어서, 고장난 계통에 있어서의 브레이크 토크에 관한 과제가 나타나 있다. 이 해결 수단으로서, 고장 계통의 모든 상을 오프로 하여, 브레이크 토크를 저감하도록 비고장 계통을 구동하는 방법에 대해 설명하고 있다.

일본 특허 공개 제2011-078230호 공보

특허문헌 1에서는, 고장 계통의 모든 상을 오프로 해도 발생하는 브레이크 토크에 대해, 비고장 계통이 상기 브레이크 토크를 반전한 토크 지령값 또는 전류 지령값을 사용하여 상쇄하는 내용이 개시되어 있다. 그러나, 1계통이 출력할 수 있는 토크의 상한을 100％로 한 경우에, 1계통에서 고장 계통을 포함하는 2계통분의 출력을 발생시키기 때문에, 2계통에서 최대 50％의 출력이 된다. 나아가, 브레이크 토크의 발생량에 따라서, 2계통의 합계 출력이 50％ 미만이 되는 경우도 있어, 토크 출력 50％를 얻고자 하는 조건에서는 토크 맥동을 발생시키는 문제가 있고, 이 문제에 관한 기술의 개시는 없다. 즉, 종래예 1에 설명된 방법으로는, 복수 계통의 인버터의 구동에 있어서, 고장 계통에 발생하는 브레이크 토크의 억제와, N계통에 있어서의 (100×(N-1)/N)[％]의 출력은 양립되지 않는다(N은 2 이상의 정수).

상기한 과제에 비추어, 본 발명은, 전력 변환 장치의 아암 고장에 대해, 복수의 인버터에 분배한 출력에 의해 출력 토크의 맥동을 억제하고, 또한 고장에 의한 합계 출력의 감소분을 억제한 인버터의 제어를 가능하게 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 전력 변환 장치는, 서로 독립된 제1 권선 및 제2 권선을 갖는 용장 모터를 구동하는 전력 변환 장치에 있어서, 상기 제1 권선에 접속되는 제1 인버터 회로와, 상기 제2 권선에 접속되고, 상기 제1 인버터 회로와는 독립적으로 설치되는 제2 인버터 회로와, 상기 제1 인버터 회로와 상기 제1 권선 사이에 설치되는 제1 상 릴레이를 구비하고, 상기 제1 인버터 회로를 구성하는 복수의 아암 중 어느 아암이 고장난 경우에, 상기 제1 상 릴레이가 당해 고장난 아암과 상기 제1 권선 사이의 통전을 차단함과 함께, 상기 제1 인버터 회로를 구성하는 그 밖의 아암과 상기 제2 인버터 회로의 동작에 의해 상기 용장 모터를 구동한다.

본 발명에 따르면, 전력 변환 장치의 아암 고장에 대해, 복수의 인버터에 분배한 출력에 의해 출력 토크의 맥동을 억제하고, 또한 고장에 의한 합계 출력의 감소분을 억제한 인버터의 제어를 가능하게 한다.

도 1은 제1 실시 형태의 전체 구성도
도 2는 인버터의 회로 구성
도 3은 인버터의 출력 벡터
도 4는 1상 고장 시의 인버터의 출력 벡터
도 5는 2계통의 인버터 출력
도 6은 제2 실시 형태의 전체 구성도
도 7은 n계통의 인버터 출력
도 8은 제3 실시 형태의 구성도

이하, 도면을 참조하여, 본 발명에 관한 전력 변환 장치의 실시 형태에 대해 설명한다. 또한, 각 도면에 있어서 동일 요소에 대해서는 동일한 부호를 기재하고, 중복되는 설명은 생략한다.

(제1 실시 형태)

도 1에, 본 실시예에 있어서의 전력 변환 장치와 회전 전기 기기에 대한 구성의 전체도를 나타낸다. 본 실시 형태에서는, 전력 변환 장치로서, 인버터 회로가 2계통인 예를 사용하여 설명한다. 단, N을 2 이상의 정수로 하여 N계통이 되는 복수의 계통에 있어서도 본 발명은 마찬가지로 적용이 가능하다.

도 1의 모터(1)는, 제1 권선(11)과 제2 권선(12)의 독립된 2개의 권선을 갖고 있다. 모터(1)는, 고정자를 통해 하나의 회전자를 공유하는 자기 회로를 갖고 있다.

제1 인버터(21)는, 제1 권선(11)에 접속된다. 제2 인버터(22)는, 제2 권선(12)에 접속된다. 제1 인버터(21) 및 제2 인버터(22)는, 제어 수단(3)이 출력하는 구동 신호에 기초하여 구동된다. 또한, 제1 인버터(21)와 제2 인버터(22)는, 직류 전원(4)에 병렬로 접속된다. 제1 인버터(21) 및 제2 인버터(22)는, 직류 전원(4)으로부터의 직류 입력을, 교류로 변환하여, 모터(1)에 출력한다.

도 2에, 제1 인버터(21) 및 제2 인버터(22)의 회로 구성을 나타낸다. 제1 인버터(21) 및 제2 인버터는, 마찬가지의 회로 구성이기 때문에, 여기서는 공통적으로 인버터(2)로서 도시하고 있다. 도 2의 인버터(2)는, 제1 인버터(21)와 제2 인버터(22)의 주 회로부를 나타내고 있다.

인버터(2)는, 정극 입력(P)과 부극 입력(N)으로부터 직류가 입력되고, U상 출력(UI), V상 출력(VI), W상 출력(WI)으로부터 삼상 교류가 출력된다. U상 출력(UI)에는, 상부 아암(Sup)과 하부 아암(Sun)이 접속된다. V상 출력(VI)에는, 상부 아암(Svp)과 하부 아암(Svn)이 접속된다. W상 출력(WI)에는, 상부 아암(Swp)과 하부 아암(Swn)이 접속된다.

또한, 인버터(2)는, 상 릴레이(23)를 통해 모터(1)에 접속된다. 상 릴레이(23)는, U상 출력(UI)과 접속되는 U상 릴레이(RLYU)와, V상 출력(VI)과 접속되는 V상 릴레이(RLYV)와, W상 출력(WI)과 접속되는 W상 릴레이(RLYW)로 구성된다. 상 릴레이(23)는, 기계식 접점 릴레이여도 되고, 스위칭 소자를 사용한 전자식 무접점 릴레이여도 된다. 이 상 릴레이(23)는, 인버터(2) 또는 모터(1)의 고장 시에 개방함으로써, 모터(1)에 브레이크 토크가 발생하는 것을 억제한다.

도 1에 나타낸 제어 수단(3)은, 모터(1)의 제1 권선(11)과 제2 권선(12)에 흐르는 전류의 검출값과, 모터(1)의 회전자의 위상 정보에 기초하여, 모터(1)의 토크 및 회전 속도를 제어하는 출력을 결정한다. 그리고, 제어 수단(3)은, 제1 인버터(21) 및 제2 인버터(22)의 스위칭 소자를 구동하는 구동 신호를 생성한다. 이 구동 신호는, 원하는 구동 파형이 되는 전압 지령값 또는 전류 지령값의 교류 신호이며, 캐리어 신호를 PWM 변조하고, 인버터 소자의 온과 오프의 2치로 구성되는 스위칭 신호로서 부여된다.

여기서, 모터(1)의 전류값은, 삼상의 전류값을 검출하는 상 전류 센서나, 직류 전원(4)과 제1 인버터(21)의 N1 및 제2 인버터(22)의 N2 사이에 각각 직렬 접속되는 션트 저항에 흐르는 전류값으로부터 3상 전류를 재현하는 방법 중 어느 것을 사용하여 구해도 된다. 또한, 모터(1)의 회전자의 위상 정보의 검출 수단은, 리졸버, GMR 센서, TMR 센서, 인코더, 홀 IC 등의 검출 수단이라도, 모터(1)의 유기 전압이나 회전자의 위치 의존성을 이용하는, 이른바 회전 위치 센서리스 제어에 의한 위상 추정 수단이어도 된다.

도 3에, 인버터(2)의 출력 벡터를 나타낸다. 삼상 출력의 벡터는 각각 전기각으로 120도의 위상을 갖고 전압을 출력하도록 제어된다. 출력 벡터는, 수학식 1에 나타내는 V₁ 내지 V₆ 벡터와, V₀ 및 V₇ 벡터로 이루어진다. 예를 들어, V₁ 벡터는, 수학식 1의 V(1,0,0)로 정의되고, U상 상부 아암이 온, V상과 W상은 하부 아암이 온인 것을 의미하고 있다. 이후에는, 출력 벡터(Vn)를, U상, V상, W상의 순으로 상부 아암을 온에서 「1」, 오프에서 「0」이라고 표기한다. 이때, 하부 아암은 각각 오프에서 「0」, 온에서 「1」이 된다. 또한, 데드 타임은 무시하고 생각하는 것으로 한다.

이와 같이, 360도의 범위를 60도씩 6분할한 a부터 f까지의 위상 범위에서, 출력 벡터를 제어함으로써 모터(1)의 회전 자계를 발생 가능해진다.

도 4에, W상의 상하 아암 중 어느 것이 고장나, 상 릴레이(23)의 해당 상인 RLYW를 오프로 하여 W상의 출력 벡터를 발생할 수 없게 된 경우를 생각한다. W상의 고장에 의해 출력할 수 없게 되는 것은 V₅ 벡터이며, 도 4에 나타낸 구간 d와 구간 e의 120도의 범위의 출력 벡터를 발생시킬 수 없다.

도 5에, 출력 벡터의 위상을 나타낸다. 도 4에 나타낸 W상의 고장에 있어서, 출력 불가가 되는 것은, 구간 d와 구간 e의 위상 범위이고, 나머지 구간 a, b, c, f에 대해서는 출력 가능하다. 도 5의 계통 A를 W상이 고장난 계통으로 하고, 계통 B를 정상적인 계통으로 한다. 또한, 계통 A 및 계통 B는, 한쪽이 도 1의 인버터(21)이고, 다른 쪽이 인버터(22)가 된다.

고장 계통인 계통 A에서는, 출력 H를 출력하지만, W상의 고장에 의해 120도의 범위(구간 d, e)에 있어서는 출력을 할 수 없어, 제로 출력이 된다. 이에 비해, 정상적인 계통인 계통 B에서, 360도에 걸쳐 출력 Δt를 출력하면서, 계통 A에서 출력 불가가 되는 120도의 범위(구간 d, e)에 있어서, 출력 H를 가산하여 출력 (H+Δt)로 한다. 이에 의해, 계통 A와 계통 B의 합계 출력은, 전 구간을 통해 출력 (H+Δt)를 얻는다.

상기한 Δt는, 위상 1주기에 있어서의 평균값이 정상 시의 최댓값 H 이하인 경우에, 수학식 2를 만족시키도록 구해진다.

수학식 2에 기초하는 출력 (H+Δt)가 스위칭 소자의 전류 허용 상한값을 초과하지 않는 범위로 함으로써, 합계 출력이 (H+Δt)로 되는 출력을 360도 범위에 걸쳐 맥동을 억제하면서 출력하는 것이 가능해진다. 이에 의해, 모터(1)의 출력 토크의 맥동을 억제한 제어가 가능해진다.

상술한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 전력 변환 장치는, 계통 A에 있어서의 W상의 아암이 고장난 경우라도, W상 아암에 접속된 상 릴레이(RLYW)를 차단하고, 계통 A에 있어서 고장난 상 이외의 상인 U상 및 V상의 아암은 구동시키고 있다. 계통 A의 W상 아암의 고장에 의해 발생하는 결락 위상의 출력은, 정상적인 계통 B와의 협조 동작에 의해, 토크 변동을 억제하도록 보충된다. 이에 의해, 고장 계통에 발생하는 브레이크 토크를 억제하면서, 모터에의 출력의 감소도 억제할 수 있다.

(제2 실시 형태)

도 6에, n을 2 이상의 정수로 한 경우의 n계통에 있어서의 전체 구성도를 나타낸다. 본 실시 형태에서는, 인버터는 21, 22, ···, 2n의 n계통이 병렬로 접속되고, 모터(1)에는 제1 권선(11), 제2 권선(12), ···, 제n 권선(1n)이 독립적으로 권회된다. 이때의 각 계통에 있어서의 인버터 출력은, 도 7과 같이 나타내어진다.

인버터 21, 22, ···, 2n 중 어느 1계통이 고장나, (n-1) 계통으로 고장 계통의 출력분을 할당하는 경우에는, 하나의 계통당 추가가 되는 배분을 당분으로 하면, 수학식 3을 만족시키도록 결정한다.

또한, (n-1)개의 비고장 계통의 각 출력을 Δt_k로 하면, 수학식 3에 나타낸 배분과의 합계는 수학식 4가 된다.

이것으로부터, 전기각 360도에 있어서의 평균 출력은 수학식 5를 만족시키면 된다.

즉, 하나의 계통당 부담을 억제하면서, 각 출력 Δt_k를 크게 하는 것이 가능해진다. 이에 의해, n계통에 있어서의 인버터당 부담을 작게 할 수 있어, 더 긴 시간, 합계 출력을 크게 출력할 수 있다.

(제3 실시 형태)

도 8은, 차량의 진행 방향을 조타하는 전동 파워 스티어링 장치에 관한 실시 형태를 나타내고 있다. 전동 파워 스티어링 장치는, 상술한 실시 형태에 관한 전력 변환 장치(101)를 구비한다.

운전자가 스티어링 휠(201)을 조작하면, 그 조타 토크는 토크 센서(202)에 의해 검출된다. 당해 조타 토크에 기초하여, 전력 변환 장치(101)는 모터(102)를 구동한다. 모터(102)에 의한 전동 어시스트 토크는, 스티어링 어시스트 기구(203)에 입력되어, 운전자의 조타 토크와 함께 스티어링 기구(204)를 구동한다. 이에 의해 타이어(205)가 전타되어, 차량의 진행 방향을 조타할 수 있다.

본 실시 형태의 전동 파워 스티어링 장치는, 다계통의 인버터 회로를 구비하는 전력 변환 장치(101) 중 1계통의 고장 발생에 대해, 나머지 계통에 부족분을 분배하여 출력함으로써, 모터의 토크 맥동을 억제한다. 이에 의해, 모터(102)를 고성능으로 구동하여, 결과적으로 스티어링 휠(201)의 조작량에 대한 전동 어시스트의 조타력을 원활하게 발생시키는 것이 가능해진다.

1 : 모터
11 : 제1 권선
12 : 제2 권선
2 : 인버터
21 : 인버터
22 : 인버터
23 : 상 릴레이
4 : 직류 전원
100 : 모터 구동 시스템
101 : 전력 변환 장치
102 : 모터
201 : 스티어링 휠
202 : 토크 센서
203 : 스티어링 어시스트 기구
204 : 스티어링 기구
205 : 타이어

Claims

서로 독립된 제1 권선 및 제2 권선을 갖는 용장 모터를 구동하는 전력 변환 장치에 있어서,
상기 제1 권선에 접속되는 제1 인버터 회로와,
상기 제2 권선에 접속되고, 상기 제1 인버터 회로와는 독립적으로 설치되는 제2 인버터 회로와,
상기 제1 인버터 회로와 상기 제1 권선 사이에 설치되는 제1 상 릴레이를 구비하고,
상기 제1 인버터 회로를 구성하는 복수의 아암 중 어느 아암이 고장난 경우에, 상기 제1 상 릴레이가 당해 고장난 아암과 상기 제1 권선 사이의 통전을 차단함과 함께, 상기 제1 인버터 회로를 구성하는 그 밖의 아암과 상기 제2 인버터 회로의 동작에 의해 상기 용장 모터를 구동하는, 전력 변환 장치.
제1항에 있어서,
상기 고장난 아암 분의 출력 저하를 상기 제2 인버터 회로의 동작에 의해 보충하는, 전력 변환 장치.
제2항에 있어서,
정상 상태에 있어서의 상기 제1 인버터 회로와 상기 제2 인버터 회로의 합계 출력이, 전기각 360도의 위상 범위를 통해 일정해지도록 제어하는, 전력 변환 장치.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 제1 인버터 회로는, 소정의 회전 위상에 있어서 출력이 제로가 되고,
상기 제2 인버터 회로는, 상기 소정의 회전 위상에 있어서의 평균 출력이, 상기 소정의 회전 위상 이외의 위상에 있어서의 평균 출력보다 커지도록 동작하는, 전력 변환 장치.
제4항에 있어서,
상기 소정의 회전 위상은, 전기각으로 120도인, 전력 변환 장치.
제1항에 있어서,
상기 제2 인버터 회로의 출력은, 당해 출력을 전기각 360도의 위상 범위에서 적분한 값이 상기 제2 인버터 회로의 100％ 출력을 전기각 360도의 위상 범위에서 적분한 값 이하이고, 또한 상기 제2 인버터 회로를 구성하는 스위칭 소자의 전류 허용 상한값을 초과하지 않는 전류값이 되는 출력인, 전력 변환 장치.
제1항에 있어서,
상기 제2 인버터 회로는, 복수 설치되는, 전력 변환 장치.
제1항에 있어서,
상기 고장은, 단락 고장인, 전력 변환 장치.
제1항에 기재된 전력 변환 장치와,
스티어링 휠의 전타 조작량에 수반하여 전타시키는 전타 기구를 구비한, 전동 파워 스티어링 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 인버터 회로는, 소정의 회전 위상에 있어서 출력이 제로가 되고,
상기 제2 인버터 회로는, 상기 소정의 회전 위상에 있어서의 평균 출력이, 상기 소정의 회전 위상 이외의 위상에 있어서의 평균 출력보다 커지도록 동작하고,
상기 소정의 회전 위상은, 전기각으로 120도이고,
상기 제2 인버터 회로의 출력은, 당해 출력을 전기각 360도의 위상 범위에서 적분한 값이 상기 제2 인버터 회로의 100％ 출력을 전기각 360도의 위상 범위에서 적분한 값 이하이고, 또한 상기 제2 인버터 회로를 구성하는 스위칭 소자의 전류 허용 상한값을 초과하지 않는 전류값이 되는 출력이며,
상기 고장은, 단락 고장인, 전력 변환 장치.
제10항에 기재된 전력 변환 장치와,
스티어링 휠의 전타 조작량에 수반하여 전타시키는 전타 기구를 구비한, 전동 파워 스티어링 장치.