JP2004088888A - モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング損失による発熱を低減する。
【解決手段】Ｕ相端子、Ｖ相端子およびＷ相端子のうちの２つの端子から駆動電流を導入し、他の１つの端子から駆動電流を導出させるべき時には、その駆動電流を導出させる端子の目標電圧値がアースＧの電位（＝０Ｖ）に設定される。また、Ｕ相端子、Ｖ相端子およびＷ相端子のうちの１つの端子から駆動電流を導入し、他の２つの端子から駆動電流を導出させるべき時には、その駆動電流を導入させる端子の目標電圧値が直流電源の発生電圧Ｖｂに設定される。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、３相ＤＣモータを駆動するためのモータ駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば、電動パワーステアリング装置の駆動源として採用されている３相ＤＣブラシレスモータは、車両に搭載されたバッテリとアースとの間に２個のスイッチング素子（パワーＭＯＳＦＥＴ）の直列回路を３つ並列に接続した構成の３相インバータ回路で駆動するのが一般的である。
各スイッチング素子のオン／オフは、マイクロコンピュータによって制御されるようになっている。マイクロコンピュータは、モータ目標電流値を定め、さらに、そのモータ目標電流値に基づいて、電動モータの各相の目標端子電圧値を求める。そして、各相の目標端子電圧値に応じたデューティのＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ　Ｗｉｄｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御信号を作成し、その作成したＰＷＭ制御信号を各直列回路の一方のスイッチング素子のゲート端子に与える。これにより、３個のスイッチング素子がそれぞれに与えられたＰＷＭ制御信号のデューティでオン／オフし、その結果、３相ＤＣブラシレスモータにモータ目標電流値の電流が供給される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、３相インバータ回路で３相ＤＣブラシレスモータを駆動する構成では、ＰＷＭ制御信号によるスイッチング素子のスイッチングの際に、電力損失（スイッチング損失）が発生し、このスイッチング損失によってスイッチング素子が発熱するという問題があった。
そこで、この発明の目的は、スイッチング損失による発熱を低減することができるモータ駆動装置を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、３相ＤＣモータ（Ｍ）を直流電源とアース（Ｇ）との間に接続された３相インバータ回路（１）で駆動する装置であって、３相ＤＣモータのＵ相端子、Ｖ相端子およびＷ相端子のうちの２つの端子から駆動電流を導入させ、他の１つの端子から駆動電流を導出させるべき時に、その駆動電流を導出させる１つの端子の目標電圧をアース電位（＝０Ｖ）に設定し、さらに、各端子間電圧の変化が正弦波駆動方式で各相端子の目標電圧を設定した場合と同じになるように、３相ＤＣモータのロータの回転角に応じて、駆動電流を導入させる２つの端子の目標電圧を設定する第１の目標端子電圧設定手段（２）と、３相ＤＣモータのＵ相端子、Ｖ相端子およびＷ相端子のうちの１つの端子から駆動電流を導入させ、他の２つの端子から駆動電流を導出させるべき時に、その駆動電流を導入させる１つの端子の目標電圧を電源電位（Ｖｂ）に設定し、さらに、各端子間電圧の変化が正弦波駆動方式で各相端子の目標電圧を設定した場合と同じになるように、３相ＤＣモータのロータの回転角に応じて、駆動電流を導出させる２つの端子の目標電圧を設定する第２の目標端子電圧設定手段（２）と、上記第１または第２の目標端子電圧設定手段によって設定された各相端子の目標電圧（Ｖｕ’，Ｖｖ’，Ｖｗ’）に基づいて、上記３相インバータ回路を制御する回路制御手段（２）とを含むことを特徴とするモータ駆動装置である。なお、括弧内の英数字は、後述の実施形態における対応構成要素等を表す。以下、この項において同じ。
【０００５】
この発明によれば、３つの界磁コイルのいずれか１つの目標端子電圧値がアース電位または電源電圧に設定される。
３相インバータ回路は、電源とアース（Ｇ）との間に２個のスイッチング素子（１１〜１６）の直列回路（１Ｕ，１Ｖ，１Ｗ）を３個並列に有しており、各直列回路の２個のスイッチング素子の接続点で３相ＤＣモータの各相端子に接続されている。したがって、各直列回路の一方のスイッチング素子をオンすることにより、３相ＤＣモータの各相界磁コイルに駆動電流を流すことができる。
【０００６】
このような３相インバータ回路で３相ＤＣモータを駆動する場合、端子電圧（端子電位）をアース電位または電源電圧に制御するためには、その端子（Ｙ結線の場合、中性点とは反対側の端子）とアースまたは電源との間に介装されているスイッチング素子をオンし続けなければならない。よって、この発明の構成では、２個のスイッチング素子のみがスイッチング（オン／オフ）され、これにより各相界磁コイルに流れる電流が制御されることになる。ゆえに、３個のスイッチング素子をスイッチングさせる正弦波駆動方式の従来装置よりも、スイッチングさせるべきスイッチング素子の個数が１個少ないので、その分、従来装置よりもスイッチング損失による発熱を低減することができる。
【０００７】
なお、この発明のモータ駆動装置によって駆動される３相ＤＣモータの各端子間電圧は、正弦波駆動方式の従来装置で３相ＤＣモータを駆動する場合と同様に変化するから、この発明の構成であっても、従来装置と同様な電動モータの動作を実現できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係るモータ駆動装置の構成を図解的に示すブロック図である。このモータ駆動装置は、電動モータＭに駆動電流を供給するためのモータ駆動回路１と、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭを含むマイクロコンピュータ２とを備えている。
【０００９】
電動モータＭは、３相ブラシレスモータであり、Ｕ相界磁コイルＣＵ、Ｖ相界磁コイルＣＶおよびＷ相界磁コイルＣＷがＹ結線（星形結線）されている。
モータ駆動回路１は、発生電圧Ｖｂの直流電源（たとえば、車載バッテリ）とアースＧとの間に、スイッチング素子（パワーＭＯＳＦＥＴ）１１，１２の直列回路１Ｕと、スイッチング素子１３，１４の直列回路１Ｖと、スイッチング素子１５，１６の直列回路１Ｗとを並列に接続した３相インバータ回路で構成されている。スイッチング素子１１，１２の直列回路１Ｕは、これら２個のスイッチング素子１１，１２の接続点で電動モータＭのＵ相界磁コイルＣＵ（Ｕ相端子）に接続されている。また、スイッチング素子１３，１４の直列回路１Ｖは、これら２個のスイッチング素子１３，１４の接続点で電動モータＭのＶ相界磁コイルＣＶ（Ｖ相端子）に接続されており、スイッチング素子１５，１６の直列回路１Ｗは、これら２個のスイッチング素子１５，１６の接続点で電動モータＭのＷ相界磁コイルＣＷ（Ｗ相端子）に接続されている。
【００１０】
電動モータＭに関連して、この電動モータＭのロータの回転角θを検出するための回転角センサ３が設けられている。この回転角センサ３には、たとえば、ロータの回転角θの変化に対応して位相が変化する正弦波形の信号を出力するレゾルバを採用することができる。回転角センサ３の出力信号は、マイクロコンピュータ２に与えられるようになっている。
たとえば、このモータ駆動装置が電動パワーステアリング装置の電動モータＭを駆動するために用いられる場合、マイクロコンピュータ２には、さらに、その電動パワーステアリング装置が搭載された車両の車速を検出するための車速センサ４の検出信号と、ステアリングホイールから入力された操舵トルクを検出するためのトルクセンサ５の検出信号とが与えられる。
【００１１】
マイクロコンピュータ２は、車速センサ４およびトルクセンサ５の検出信号に基づいて目標電流値Ｉを設定する。また、マイクロコンピュータ２は、その設定した目標電流値Ｉと回転角センサ３によって検出される回転角θとに基づいて、モータ駆動回路１の各スイッチング素子１１〜１６のオン／オフを制御する。これにより、目標電流値Ｉの駆動電流が電動モータＭに流れ、この電動モータＭから車速および操舵トルクに応じた駆動力（操舵補助力）が発生される。
【００１２】
ここで、従来のモータ駆動装置では、たとえば、図２に示すように、電動モータの各相端子（各相界磁コイルの中性点とは反対側の端点）に位相が２π／３ずつ異なる正弦波電圧を印加する正弦波駆動方式が採用されており、目標電流値Ｉが設定されると、その目標電流値Ｉに応じた正弦波電圧の振幅Ａが求められ、この振幅Ａと電動モータのロータの回転角θとに基づいて、下記第（１），（２），（３）式のとおりに、電動モータの各相の目標端子電圧値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗが演算される。そして、目標端子電圧値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗにそれぞれ対応したＰＷＭ制御信号Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗが作成され、その作成されたＰＷＭ制御信号Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗが、それぞれモータ駆動回路を構成する各直列回路の一方のスイッチング素子に与えられる。このとき、ＰＷＭ制御信号Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗの入力されていないスイッチング素子は常にオフにされる。これにより、ＰＷＭ制御信号Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗの入力されている３個のスイッチング素子が、それぞれＰＷＭ制御信号Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗのデューティでオン／オフし、各相の端子電圧（各相界磁コイルの中性点とは反対側の端点の電位）が、それぞれ目標端子電圧値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに制御される。
【００１３】
Ｖｕ＝Ａ・ｓｉｎθ＋０．５Ｖｂ　　　　　　　　　・・・・・・（１）
Ｖｖ＝Ａ・ｓｉｎ（θ−２π／３）＋０．５Ｖｂ　　・・・・・・（２）
Ｖｗ＝Ａ・ｓｉｎ（θ＋２π／３）＋０．５Ｖｂ　　・・・・・・（３）
このような構成の従来装置が有する問題の１つは、［発明が解決しようとする課題］の項でも記載したように、各スイッチング素子のスイッチング損失による発熱である。
【００１４】
そこで、この実施形態のモータ駆動装置では、上記第（１）〜（３）式で求められる目標端子電圧値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗのいずれか１つだけが中性点電圧（＝０．５Ｖｂ）より小さい時、つまり、電動モータＭのＵ相端子、Ｖ相端子およびＷ相端子のうちの２つの端子から駆動電流を導入し、他の１つの端子から駆動電流を導出させるべき時には、その駆動電流を導出させる端子の目標電圧値（目標端子電圧値）がアースＧの電位（＝０Ｖ）に設定される。そして、各端子間電圧が上記第（１）〜（３）式に従って目標端子電圧値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを設定した場合と同じになるように、他の２つの端子の目標電圧値が設定される。
【００１５】
たとえば、図２に示すように、ロータの回転角θが０〜６０度の範囲内の時には、上記第（２）式で求められる目標端子電圧値Ｖｖのみが中性点電圧よりも小さく、モータ駆動回路１から供給される駆動電流は、Ｕ相界磁コイルＣＵおよびＷ相界磁コイルＣＷに流れ込み、中性点で合流して、Ｖ相界磁コイルＣＶを通って流れ出る。この時には、Ｖ相目標端子電圧値Ｖｖ’が、アースＧの電位（＝０Ｖ）に設定される。そして、Ｕ相目標端子電圧値Ｖｕ’およびＷ相目標端子電圧値Ｖｗ’は、それぞれ、Ｕ−Ｖ相端子間電圧Ｖｕ’−Ｖｖ’がＶｕ−Ｖｖに一致し、Ｗ−Ｖ相端子間電圧Ｖｗ’−Ｖｖ’がＶｗ−Ｖｖに一致するような値に設定される。具体的には、Ｕ相目標端子電圧値Ｖｕ’およびＷ相目標端子電圧値Ｖｗ’は、それぞれ下記第（４），（５）式のとおりに設定される。
【００１６】
Ｖｕ’＝Ａ・｛ｓｉｎθ−ｓｉｎ（θ−２π／３）｝　　・・・・・・（４）
Ｖｗ’＝Ａ・｛ｓｉｎ（θ＋２π／３）−ｓｉｎ（θ−２π／３）｝
・・・・・・（５）
また、ロータの回転角θが１２０〜１８０度の範囲内の時には、Ｗ相目標端子電圧値Ｖｗ’がアースＧの電位に設定され、Ｕ相目標端子電圧値Ｖｕ’およびＶ相目標端子電圧値Ｖｖ’は、それぞれ、Ｕ−Ｗ相端子間電圧Ｖｕ’−Ｖｗ’がＶｕ−Ｖｗに一致し、Ｖ−Ｗ相端子間電圧Ｖｖ’−Ｖｗ’がＶｖ−Ｖｗに一致するような値に設定される。
【００１７】
さらに、ロータの回転角θが２４０〜３００度の範囲内の時には、Ｕ相目標端子電圧値Ｖｕ’がアースＧの電位に設定され、Ｖ相目標端子電圧値Ｖｖ’およびＷ相目標端子電圧値Ｖｗ’は、それぞれ、Ｖ−Ｕ相端子間電圧Ｖｖ’−Ｖｕ’がＶｖ−Ｖｕに一致し、Ｗ−Ｕ相端子間電圧Ｖｗ’−Ｖｕ’がＶｗ−Ｖｕに一致するような値に設定される。
一方、上記第（１）〜（３）式で求められる目標端子電圧値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗのいずれか１つだけが中性点電圧より大きい時、つまり、電動モータＭのＵ相端子、Ｖ相端子およびＷ相端子のうちの１つの端子から駆動電流を導入し、他の２つの端子から駆動電流を導出させるべき時には、その駆動電流を導出させる端子の目標電圧値（目標端子電圧値）が直流電源の発生電圧Ｖｂに設定される。そして、各端子間電圧が上記第（１）〜（３）式に従って目標端子電圧値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを設定した場合と同じになるように、他の２つの界磁コイルの目標端子電圧値が設定される。
【００１８】
たとえば、ロータの回転角θが６０〜１２０度の範囲内の時には、上記第（２）式で求められる目標端子電圧値Ｖｕのみが中性点電圧よりも大きく、モータ駆動回路１から供給される駆動電流は、Ｕ相界磁コイルＣＵに流れ込み、中性点で分流して、Ｖ相界磁コイルＣＶおよびＷ相界磁コイルＣＷを通って流れ出る。この時には、Ｕ相目標端子電圧値Ｖｕ’が、直流電源の発生電圧Ｖｂに設定される。そして、Ｖ相目標端子電圧値Ｖｖ’およびＷ相目標端子電圧値Ｖｗ’は、それぞれ、Ｕ−Ｖ相端子間電圧Ｖｕ’−Ｖｖ’がＶｕ−Ｖｖに一致し、Ｕ−Ｗ相端子間電圧Ｖｕ’−Ｖｗ’がＶｕ−Ｖｗに一致するような値に設定される。具体的には、Ｖ相目標端子電圧値Ｖｖ’およびＷ相目標端子電圧値Ｖｗ’は、それぞれ下記第（６），（７）式のとおりに設定される。
【００１９】
Ｖｖ’＝Ｖｂ−Ａ・｛ｓｉｎθ−ｓｉｎ（θ−２π／３）｝　　・・・・・・（６）
Ｖｗ’＝Ｖｂ−Ａ・｛ｓｉｎθ−ｓｉｎ（θ＋２π／３）｝　　・・・・・・（７）
また、ロータの回転角θが１８０〜２４０度の範囲内の時には、Ｖ相目標端子電圧値Ｖｖ’が電源電圧Ｖｂに設定され、Ｕ相目標端子電圧値Ｖｕ’およびＷ相目標端子電圧値Ｖｗ’は、それぞれ、Ｖ−Ｕ相端子間電圧Ｖｖ’−Ｖｕ’がＶｖ−Ｖｕに一致し、Ｖ−Ｗ相端子間電圧Ｖｖ’−Ｖｗ’がＶｖ−Ｖｗに一致するような値に設定される。
【００２０】
さらに、ロータの回転角θが３００〜３６０度の範囲内の時には、Ｗ相目標端子電圧値Ｖｗ’が電源電圧Ｖｂに設定され、Ｕ相目標端子電圧値Ｖｕ’およびＶ相目標端子電圧値Ｖｖ’は、それぞれ、Ｗ−Ｕ相端子間電圧Ｖｗ’−Ｖｕ’がＶｗ−Ｖｕに一致し、Ｗ−Ｖ相端子間電圧Ｖｗ’−Ｖｖ’がＶｗ−Ｖｖに一致するような値に設定される。
こうして各相目標端子電圧値Ｖｕ’，Ｖｖ’，Ｖｗ’が設定されると、その設定された目標端子電圧値Ｖｕ’，Ｖｖ’，Ｖｗ’にそれぞれ対応したデューティのＰＷＭ制御信号Ｓｕ’，Ｓｖ’，Ｓｗ’が作成される。そして、その作成されたＰＷＭ制御信号Ｓｕ’，Ｓｖ’，Ｓｗ’が、それぞれモータ駆動回路を構成する各直列回路の一方のスイッチング素子に与えられる。このとき、ＰＷＭ制御信号Ｓｕ’，Ｓｖ’，Ｓｗ’の入力されていないスイッチング素子は常にオフにされる。これにより、ＰＷＭ制御信号Ｓｕ’，Ｓｖ’，Ｓｗ’の入力されている３個のスイッチング素子が、それぞれＰＷＭ制御信号Ｓｕ’，Ｓｖ’，Ｓｗ’のデューティでオン／オフし、各相端子電圧がそれぞれ目標端子電圧値Ｖｕ’，Ｖｖ’，Ｖｗ’に制御される。その結果、各相界磁コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷに流れる電流量は、上記第（１）〜（３）式に従って目標端子電圧値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを設定した場合と同じになり、その場合と同様な電動モータＭの動作が実現される。
【００２１】
ここで、Ｖ相端子電圧をアースＧの電位（＝０Ｖ）に制御するためには、ＰＷＭ制御信号Ｓｖ’のデューティを１００％に設定して、モータ駆動回路１の直列回路１Ｖに含まれるスイッチング素子１４をオンし続けなければならない。すなわち、ロータの回転角θが０〜６０度の範囲内の時には、直列回路１Ｖに含まれるスイッチング素子１３，１４はスイッチングされず、直列回路１Ｕに含まれるスイッチング素子１１および直列回路１Ｗに含まれるスイッチング素子１５のみがスイッチングされることになる。よって、スイッチング素子１３，１４のスイッチング損失による発熱がない。
【００２２】
また同様に、Ｗ相端子電圧をアースＧの電位に制御するためには、直列回路１Ｗのスイッチング素子１６をオンし続けなければならず、Ｕ相端子電圧をアースＧの電位に制御するためには、直列回路１Ｕのスイッチング素子１２をオンし続けなければならない。ゆえに、ロータの回転角θが１２０〜１８０度の範囲内の時には、直列回路１Ｗのスイッチング素子１１，１２からのスイッチング損失による発熱がなく、また、ロータの回転角θが２４０〜３００度の範囲内の時には、直列回路１Ｕのスイッチング素子１１，１２からのスイッチング損失による発熱がない。
【００２３】
さらに、Ｕ相端子電圧を電源電圧（＝Ｖｂ）に制御するためには、ＰＷＭ制御信号Ｓｕ’のデューティを１００％に設定して、モータ駆動回路１の直列回路１Ｕに含まれるスイッチング素子１１をオンし続けなければならない。すなわち、ロータの回転角θが６０〜１２０度の範囲内の時には、直列回路１Ｕに含まれるスイッチング素子１１，１２はスイッチングされず、直列回路１Ｖに含まれるスイッチング素子１４および直列回路１Ｗに含まれるスイッチング素子１６のみがスイッチングされることになる。よって、スイッチング素子１１，１２のスイッチング損失による発熱がない。
【００２４】
また同様に、Ｖ相端子電圧を電源電圧に制御するためには、直列回路１Ｖのスイッチング素子１３をオンし続けなければならず、Ｗ相端子電圧を電源電圧に制御するためには、直列回路１Ｗのスイッチング素子１５をオンし続けなければならない。ゆえに、ロータの回転角θが１８０〜２４０度の範囲内の時には、直列回路１Ｖのスイッチング素子１３，１４からのスイッチング損失による発熱がなく、また、ロータの回転角θが３００〜３６０度の範囲内の時には、直列回路１Ｗのスイッチング素子１５，１６からのスイッチング損失による発熱がない。
【００２５】
以上のように、この実施形態によれば、Ｕ相端子、Ｖ相端子およびＷ相端子のうちのいずれか１つの端子の目標電圧値がアースＧの電位または電源電圧に設定されて、スイッチング素子１１〜１６のうちの２個のスイッチング素子をスイッチングさせることにより、３個のスイッチング素子をスイッチングさせる正弦波駆動方式の従来装置と同様なモータ動作が実現される。スイッチングさせるべきスイッチング素子の個数が従来装置よりも１個少ないので、その分、従来装置よりもスイッチング損失による発熱を低減することができる。
【００２６】
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明は、他の形態で実施することもできる。たとえば、この発明は、電動パワーステアリング装置に備えられた電動モータを駆動するものに限らず、他の装置に備えられた電動モータを駆動するものに対して広く適用することができる。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態に係るモータ駆動装置の構成を図解的に示すブロック図である。
【図２】正弦波駆動方式によるモータ駆動時の各相端子電圧の波形を示すとともに、連続通電させる界磁コイルを示す図である。
【符号の説明】
１　　　モータ駆動回路
１Ｕ　　直列回路
１Ｖ　　直列回路
１Ｗ　　直列回路
２　　　マイクロコンピュータ（第１の目標端子電圧設定手段、第２の目標端子電圧設定手段、回路制御手段）
３　　　回転角センサ
４　　　車速センサ
５　　　トルクセンサ
１１　　スイッチング素子
１２　　スイッチング素子
１３　　スイッチング素子
１４　　スイッチング素子
１５　　スイッチング素子
１６　　スイッチング素子
ＣＵ　　Ｕ相界磁コイル
ＣＶ　　Ｖ相界磁コイル
ＣＷ　　Ｗ相界磁コイル
Ｇ　　　アース
Ｍ　　　電動モータ

Claims (1)

1. ３相ＤＣモータを直流電源とアースとの間に接続された３相インバータ回路で駆動する装置であって、
   ３相ＤＣモータのＵ相端子、Ｖ相端子およびＷ相端子のうちの２つの端子から駆動電流を導入させ、他の１つの端子から駆動電流を導出させるべき時に、その駆動電流を導出させる１つの端子の目標電圧をアース電位に設定し、さらに、各端子間電圧の変化が正弦波駆動方式で各相端子の目標電圧を設定した場合と同じになるように、３相ＤＣモータのロータの回転角に応じて、駆動電流を導入させる２つの端子の目標電圧を設定する第１の目標端子電圧設定手段と、
   ３相ＤＣモータのＵ相端子、Ｖ相端子およびＷ相端子のうちの１つの端子から駆動電流を導入させ、他の２つの端子から駆動電流を導出させるべき時に、その駆動電流を導入させる１つの端子の目標電圧を電源電位に設定し、さらに、各端子間電圧の変化が正弦波駆動方式で各相端子の目標電圧を設定した場合と同じになるように、３相ＤＣモータのロータの回転角に応じて、駆動電流を導出させる２つの端子の目標電圧を設定する第２の目標端子電圧設定手段と、
   上記第１または第２の目標端子電圧設定手段によって設定された各相端子の目標電圧に基づいて、上記３相インバータ回路を制御する回路制御手段とを含むことを特徴とするモータ駆動装置。

Images