JP5387989B2 - 電動機駆動装置、および、これを用いた電動パワーステアリング装置 - Google Patents
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Description
また、急な動作変動を起こさないために、出力低下分を他の正常な系統で補い続ける方法をとると、正常系統のインバータに過剰な負荷がかかって異常発熱するおそれがある。
これに対応するためにインバータの電力容量を増やすと、インバータが大型もしくは高価になり、小型かつ低コストな電動機駆動装置を実現できないという課題がある。
また別の目的は、正常系統のインバータが補う電力を徐々に変化させることで過剰な負荷がかかる時間を短くし、異常発熱を防ぐことができ、また、小型かつ低コストな電動機駆動装置を提供することである。
請求項1に記載の電動機駆動装置は、直流電源と、複数の系統を構成する複数のインバータとを有する多系統の電動機駆動装置であり、(ア)〜(ウ)の構成を採用する。ここで、「:」以下は、その構成を説明する。
(ア)故障判定手段:いずれかの系統にてインバータまたは巻線群のいずれかが故障したことを判定する。
(イ)電力供給遮断手段:(ア)故障判定手段による故障判定に基づき、直流電源から故障系統のインバータへの電力供給を遮断する。具体的には、電源リレーである。
故障系統のインバータが供給していた電力を正常系統のインバータが補って電動機の駆動を継続することにより、故障時の急な動作変動を無くすことができる。
電力制御手段そのものを変更すると、正常動作時と故障時で2種類の電力制御手段を持つことになり、制御が複雑になる。そのため高性能なマイコンが必要となり、低コストな電動機駆動装置を実現できない。
それに対し本発明では、電力制御手段への入力値を、正常動作時に用いていた値から変更するだけなので、2種類の電力制御手段を持つ必要がない。よって、制御を複雑にすることなく、低コストなマイコンを用いて電動機駆動装置を提供することができる。
ここで「入力値の変更」は、具体的には、電力制御手段においてフィードバック制御がされることにより得られる。例えば、インバータの出力電流検出値に基づく演算結果としてフィードバックされる。
これにより、正常系統のインバータには、故障判定から一定時間だけ正常動作時より大きな電流が通電された後、補う電力を徐々に小さくするため、過剰な負荷がかかる時間を制限することができる。したがって、電動機駆動装置を異常発熱から守ることができる。また、電力容量の大きい大型のインバータを用いる必要がないため、電動機駆動装置を小型かつ低コストな構成にすることができる。
請求項2に記載の電動機駆動装置では、請求項1に記載の(ウ)電力制御手段は、相電流検出手段、故障時相電流変換手段、及び、電流制御手段を備える。
相電流検出手段は、インバータが巻線群に供給する各相の相電流を検出する。
故障時相電流変換手段は、相電流検出手段により検出した各相の相電流検出値を故障判定の結果に基づき相電流変換値に変換する。
電流制御手段は相電流変換値をd軸電流およびq軸電流に変換し、その変換値と電流指令値とに基づき複数のインバータへの出力を制御する。このように、電流制御手段がフィードバック制御を実行する。
ここで、Mは0以上N未満の整数である。ただし、Mが0のときは全系統正常であるため、以下、故障時の説明ではMを1以上として扱う。
請求項2に記載の電動機駆動装置において、請求項3〜5に係る発明では、さらに、「故障系統のインバータが供給していた電力を補うための電流を正常系統のインバータに通電させる」ための構成を具現化する。
正常系統のゲインを(N−M)/N、すなわち、1より小さくすることにより、正常系統の電流制御手段は、他の系統の中に電流が流れていない系統があることを認識して、不足分の電力を補うため、その系統にゲインの逆数倍、すなわちN/(N−M)倍の電流を流すよう指令する。正常系統は(N−M)個あるので、全体として正常動作時のN系統分の電流が流れ、インバータ出力の合計を故障の前後で一定に維持することができる。
そして、電力制御手段は、故障判定から一定時間経過後、ゲインを徐々に大きくすることにより、正常系統のインバータが補う電力を徐々に小さくするように制御する。
電流指令値をN/(N−M)倍にして正常系統のインバータへ出力することにより、各正常系統に、正常動作時のN/(N−M)倍の電流が流れる。正常系統は(N−M)個あるので、全体として正常動作時のN系統分の電流が流れ、インバータ出力の合計を故障の前後で一定に維持することができる。
そして、電力制御手段は、故障判定から一定時間経過後、正常系統のインバータへ出力する電流指令値を徐々に小さくすることにより、正常系統のインバータが補う電力を徐々に小さくするように制御する。
N系統のうちM系統が故障のとき、3相2相変換手段に入力される相電流変換値の和は、正常動作時の(N−M)/Nとなる。電流制御手段は、全系統の合計電流が不足していることを認識して、不足分の電力を補うため、電流指令値をN/(N−M)倍にするよう指令する。正常系統は(N−M)個あるので、全体として正常動作時のN系統分の電流が流れ、インバータ出力の合計を故障の前後で一定に維持することができる。
そして、電力制御手段は、故障判定から一定時間経過後、正常系統のインバータへ出力する電流指令値を徐々に小さくすることにより、正常系統のインバータが補う電力を徐々に小さくするように制御する。
電動パワーステアリング装置は、自動車運転者の操舵をアシストする装置である。したがって、電動パワーステアリング装置において故障により動作変動が起こることは、旋回中に操舵力が変動し、ハンドルが重くなる、あるいは動かなくなるといった状況を発生させる。よって、故障したインバータへの電力供給が遮断されたとき、故障系統のインバータが供給していた電力を正常系統のインバータが補い、かつ、その後、その正常系統のインバータが補う電力を徐々に変化させるように制御することは、電動パワーステアリング装置においてより大きな効果を奏する。
(共通の構成)
最初に、本発明の第1実施形態から第3実施形態に共通の構成を説明する。
図1は、電動パワーステアリング装置を備えたステアリングシステムの全体構成を示す。ステアリングシステム90に備えられる電動パワーステアリング装置1は、ハンドル91に接続されたステアリングシャフト92に操舵トルクを検出するためのトルクセンサ94を設置している。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。
この構成により、電動パワーステアリング装置1は、ハンドル91の操舵を補助するための操舵アシストトルクを発生し、ステアリングシャフト92に伝達する。
電流制御演算30の出力した2相電圧指令値は、2相3相変換手段35によってU相、V相、W相の3相電圧指令値に変換されてインバータ60に出力される。回転角センサ85が検出したモータ電気角θは、2相3相変換手段35にもフィードバックされる。
なお、電流制御手段20は、具体的にはマイコンに相当する。
各系統は、電源リレー551、552、インバータ601、602、モータ巻線801、802から構成される。電源リレー551、552は、インバータ601、602への電力供給を導通または遮断する。電源リレー551、552は、特許請求の範囲に記載の「電力供給遮断手段」を具現化したものである。
インバータ601、602は直流電力から3相交流電力を生成する。モータ巻線801、802は、回転軸に対称に配置されてモータ80を構成し、モータ80はインバータ601、602から3相交流電力を供給されて駆動される。なお、モータ巻線801、802はΔ結線で図示されているが、Y結線であってもよい。電流検出器751、752はインバータ601、602の出力電流を各相毎に検出する。
本発明の第1実施形態の電動機駆動装置を、図4、5、6に基づいて説明する。
図4はN系統電動機駆動装置の制御ブロックを示す模式図であり、代表として第1系統と第2系統を示している。ここで、Nは2以上の整数である。第1系統のモータ巻線801、第2系統のモータ巻線802に電力を供給するための電力制御手段101、102は、各系統に設けられる。電力制御手段101、102は、それぞれ、電流制御手段201、202、故障時相電流変換手段401、402を含む。
Nが3以上の場合、第3系統以下は、図の下部に矢印で示すように同様のブロックが並列に追加される。すなわち、N系統では、N個のモータ巻線群800に電力を供給するための電力制御手段10、電流制御手段20、インバータ60を、それぞれN個有する。
故障判定手段451は、インバータ601または巻線801のいずれかが故障したことを検知すると、電源リレー551(図3参照)をOFFして電源供給を遮断するとともに、故障フラグerr_1をONする。一方、故障を検知しないとき、すなわち正常時には故障フラグerr_1をOFFする。また、故障フラグerr_1のON/OFF、すなわち故障判定信号を故障時相電流変換手段401に送る。
3相2相変換手段251は、相電流変換値Iu1o、Iv1o、Iw1oを座標変換して、d軸電流Id1、q軸電流Iq1を出力する。
S11では、「第1系統が正常、第2系統が正常」であるか否かを判断する。YESの場合、S12にて第1系統、第2系統ともにゲインGを1とし、相電流検出値に等しい相電流変換値を出力する。NOの場合、S13へ移行する。
S13では、「第1系統が故障、第2系統が正常」であるか否かを判断する。YESの場合、S14にて第1系統のゲインG1を0とし、相電流変換値を0とする。一方、第2系統のゲインG2を1/2とし、相電流検出値の1/2の相電流変換値を出力する。NOの場合、S15へ移行する。
S15では、「第1系統が正常、第2系統が故障」であるか否かを判断する。YESの場合、S16にて、第1系統のゲインG1を1/2とし、相電流検出値の1/2の相電流変換値を出力する。一方、第2系統のゲインG2を0とし、相電流変換値を0とする。
NOの場合は、「第1系統が故障、第2系統が故障」であると判断し、S17にて第1系統、第2系統ともにゲインを0とし、相電流変換値を0とする。
このように2系統の場合、他の系統が故障のとき、正常系統の相電流検出値をそのまま用いるのではなく、ゲインGを1/2として相電流変換値に変換する。
また、故障時のために別個の電力制御手段を必要とせず、電力制御手段への入力値を、正常動作時に用いていた値から変更するだけなので、制御を複雑にすることなく、低コストなマイコンを用いて電動機駆動装置を提供することができる。
次に、N系統のうちM系統が故障した場合について説明する。Nは2以上の整数、Mは0以上N未満の整数である。Mが0のとき全系統正常である。N系統のうちM系統が故障のとき、正常系統のゲインGを(N−M)/Nとする。Mが0の場合を除き、正常系統のゲインGは1より小さくなる。そうすることにより、正常系統の3相2相変換手段25は、他の系統の中に電流が流れていない系統があることを認識して、電流制御演算30にフィードバックする。フィードバックを受けた電流制御演算30は、不足分の電力を補うため、その系統にゲインGの逆数倍、すなわちN/(N−M)倍の電流を流すよう指令する。正常系統は(N−M)個あるので、全体として正常動作時のN系統分の電流が流れ、「インバータ出力の合計」を故障の前後で一定に維持することができる。
本発明の第2実施形態の電動機駆動装置を、図4、7、8に基づいて説明する。
図4については、第1実施形態と同じである。すなわち、第1実施形態と同様、第2実施形態のN系統電動機駆動装置は、電流制御手段20をN個有する。
S21では、「第1系統が正常、第2系統が正常」であるか否かを判断する。YESの場合、S22にてq軸電流指令値IQrefをそのままとする。NOの場合、S23へ移行する。
S23では、「第1系統が故障、第2系統が正常」であるか否かを判断する。YESの場合、S24にてq軸電流指令値IQrefを2倍にする。NOの場合、S25へ移行する。
S25では、「第1系統が正常、第2系統が故障」であるか否かを判断する。YESの場合、S26にてS24と同様に、q軸電流指令値IQrefを2倍にする。
NOの場合は、「第1系統が故障、第2系統が故障」であると判断し、S27にてq軸電流指令値IQrefを0とする。
このように2系統のうち1系統が故障のとき、故障系統の相電流検出値を用いず、q軸電流指令値IQrefを2倍にする。
また、故障時のために別個の電力制御手段を必要とせず、電力制御手段への入力値を、正常動作時に用いていた値から変更するだけなので、制御を複雑にすることなく、低コストなマイコンを用いて電動機駆動装置を提供することができる。
次に、N系統のうちM系統が故障した場合について説明する。Nは2以上の整数、Mは1以上N未満の整数である。Mが0のとき全系統正常である。N系統のうちM系統が故障のとき、q軸電流指令値IQrefをN/(N−M)倍にする。よって、各正常系統に、正常動作時のN/(N−M)倍の電流が流れる。正常系統は(N−M)個あるので、全体として正常動作時のN系統分の電流が流れ、「インバータ出力の合計」を故障の前後で一定に維持することができる。
図9に第1実施形態の、図10に第2実施形態の故障時漸減処理フローチャートを示す。S41からS45までは共通である。なお、以下の説明では、第1系統が故障した場合を例として符号を記す。
S41で故障判定手段451により故障判定されると、S42で、故障した系統の電源リレー551をOFFし、S43で、故障系統の出力分を正常系統が補う。
図6、図8において、時刻t0から時刻tXまでの時間が継続時間Xであり、この間、(d)に示すように正常系統のインバータは正常動作時の2倍の相電流を出力する。
あるいは、一処理毎に一定値を加算することにより、直線的に増加させてもよい。例えば、1サイクルごとにゲインGの初期値の1/500ずつ加算を繰り返すことにより、500サイクルでゲインGを0.5から1まで漸増させることができる。
あるいは、一処理毎に一定値を減算することにより、直線的に減少させてもよい。例えば、1サイクルごとにq軸電流指令値IQrefの初期値の1/1000ずつ減算を繰り返すことにより、500サイクルでq軸電流指令値IQrefを1から0.5まで漸減させることができる。
また、正常系統のインバータに過剰な負荷がかかる時間を短くし、異常発熱を防ぐことができる。さらに、電力容量の大きい大型のインバータを用いる必要がないため、電動機駆動装置を小型かつ低コストな構成にすることができる。
本発明の第3実施形態の電動機駆動装置を、図11、12、13に基づいて説明する。
図11は2系統電動機駆動装置の制御ブロックを示す模式図である。第1系統のモータ巻線801、第2系統のモータ巻線802に電力を供給するための電力制御手段10は、1個に集約されている。1個の電力制御手段10は、1個の電流制御手段20と、2個の故障時相電流変換手段401、402を含む。
Nが3以上の場合のN系統では、N個のモータ巻線群800に電力を供給するために、1個の電力制御手段10、1個の電流制御手段20、及び、N個のインバータ601、602・・・を有する。
同様に、故障判定手段45は、第2系統のインバータ602または巻線802のいずれかが故障したことを検知すると、第2系統の電源リレー552(図3参照)をOFFして電源供給を遮断するとともに、故障フラグerr_2をONする。一方、故障を検知しないとき、すなわち正常時には故障フラグerr_2をOFFする。また、故障フラグerr_2のON/OFF、すなわち故障判定信号を故障時相電流変換手段402に送る。
これらの相電流変換値は、各相毎に加算され、出力電流の和が3相2相変換手段25に入力され、座標変換される。
S31では、「第1系統が正常、第2系統が正常」であるか否かを判断する。YESの場合、S32にて第1系統、第2系統ともにゲインGを1とし、相電流検出値に等しい相電流変換値を出力する。NOの場合、S33へ移行する。
S33では、「第1系統が故障、第2系統が正常」であるか否かを判断する。YESの場合、S34にて第1系統のゲインG1を0とし、相電流変換値を0とする。一方、第2系統のゲインG2を1とし、相電流検出値に等しい相電流変換値を出力する。これにより、3相2相変換手段25に入力される相電流変換値の和は、正常動作時の1/2となる。NOの場合、S35へ移行する。
S35では、「第1系統が正常、第2系統が故障」であるか否かを判断する。YESの場合、S36にて第1系統のゲインG1を1とし、相電流検出値に等しい相電流変換値を出力する。一方、第2系統のゲインG2を0とし、相電流変換値を0とする。これにより、3相2相変換手段25に入力される相電流変換値の和は、正常動作時の1/2となる。
NOの場合は、「第1系統が故障、第2系統が故障」であると判断し、S37にて第1系統、第2系統ともにゲインGを0とし、相電流変換値を0とする。
このように2系統のうち1系統が故障のとき、3相2相変換手段25に入力される相電流変換値の和は、正常動作時の1/2となる。
また、故障時のために別個の電力制御手段を必要とせず、電力制御手段への入力値を、正常動作時に用いていた値から変更するだけなので、制御を複雑にすることなく、低コストなマイコンを用いて電動機駆動装置を提供することができる。
このように、2系統の場合にd軸制御手段を2個必要とする第1、第2実施形態に対し、第3実施形態では、d軸制御手段が1個でも、同様の効果を奏することができる。
次に、N系統のうちM系統が故障した場合について説明する。Nは2以上の整数、Mは0以上N未満の整数である。Mが0のとき全系統正常である。N系統のうちM系統が故障のとき、3相2相変換手段25に入力される相電流変換値の和は、正常動作時の(N−M)/Nとなる。Mが0の場合を除き、3相2相変換手段25は、全系統の合計電流が不足していることを認識して、電流制御演算30にフィードバックする。フィードバックを受けた電流制御演算30は、不足分の電力を補うための電流を流すように指令する。このとき、故障系統である第M系統への電流供給は電源リレー551により遮断されているため、このとき、2相3相変換手段35の出力はすべて正常系統である(N−M)系統に供給される。この結果、正常な系統には正常動作時のN/(N−M)倍の相電流が流れ、「インバータ出力の合計」を故障の前後で一定に維持することができる。
このように、N系統の場合にd軸制御手段をN個必要とする第1、第2実施形態に対し、第3実施形態では、d軸制御手段が1個でも、同様の効果を奏することができる。
第3実施形態の漸減処理は、第2実施形態と類似しており、図10に示す漸減処理ステップS56およびS57において、q軸電流指令値IQrefの現在値がq軸電流最終指令値IQrefZをわずかに下回るまで、q軸電流指令値IQrefに乗率βの乗算を繰り返す。第2実施形態と異なる点は、2系統のうち1系統が故障した場合、q軸電流指令値IQrefは、図13(f)に示すように、正常動作時の値のままであるので、q軸電流最終指令値IQrefZを、例えば正常動作時の1/2に設定するという点である。
図13(f)において、q軸電流指令値IQrefを現在値から所定のq軸電流最終指令値IQrefZまで徐々に小さくすることにより、図13(e)のd軸電流Iq、及び、(g)の「インバータ出力の合計」も漸減する。
これにより、第1、第2実施形態と同様、漸減処理により急な動作変動を抑制できる。また、正常系統のインバータに過剰な負荷がかかる時間を短くし、異常発熱を防ぐことができる。さらに、電力容量の大きい大型のインバータを用いる必要がないため、電動機駆動装置を小型かつ低コストな構成にすることができる。
Id、Id1、Id2:d軸電流、IDref:d軸電流指令値、
Iq、Iq1、Iq2:q軸電流、IQref:q軸電流指令値、
Iu1i、Iv1i、Iw1i、Iu2i、Iv2i、Iw2i:相電流検出値、
Iu1o、Iv1o、Iw1o、Iu2o、Iv2o、Iw2o:相電流変換値、
err_1、err_2:故障フラグ、G1、G2:ゲイン
Claims (7)
- 直流電源の電力を交流電力に変換する1個のインバータとそのインバータが電力を供給する1個の巻線群の組合せを1系統とすると、
直流電源と、
複数の系統を構成する複数のインバータと、
いずれかの系統にてインバータまたは巻線群のいずれかが故障したことを判定する故障判定手段と、
前記故障判定手段による故障判定に基づき、前記直流電源から故障系統のインバータへの電力供給を遮断する電力供給遮断手段と、
正常動作時は入力された電流指令値に基づき前記インバータへ電力を出力し、前記電力供給遮断手段が故障系統のインバータへの電力供給を遮断したとき、故障系統のインバータが供給していた電力を正常系統のインバータが補うように制御する電力制御手段と、
を備え、
前記電力制御手段は、
前記故障判定手段による故障判定後、当該電力制御手段への入力値を、正常動作時に用いていた値から変更することにより、故障系統のインバータが供給していた電力を正常系統のインバータが補うように制御し、
前記故障判定から一定時間経過後、正常系統のインバータが補う電力を徐々に小さくするように制御することを特徴とする電動機駆動装置。 - N個の系統を有する電動機駆動装置であって、
前記電力制御手段は、
前記インバータが前記巻線群に供給する各相の相電流を検出する相電流検出手段と、
前記相電流検出手段により検出した各相の前記相電流検出値を故障判定の結果に基づき相電流変換値に変換する故障時相電流検出手段と、
前記相電流変換値をd軸電流およびq軸電流に変換し、その変換値と入力された電流指令値とに基づき、前記インバータへの出力を制御する電流制御手段と、
を備え、
前記故障判定手段が前記N個の系統のうちいずれかM個の系統が故障したことの故障判定をし、前記電力供給遮断手段が故障系統への電力供給を遮断したとき、前記電流制御手段の制御により、故障系統のインバータが供給していた電力を補うための電流を正常系統のインバータに通電させるように制御することを特徴とする請求項1に記載の電動機駆動装置。 - 前記電力制御手段は、前記電流制御手段をN個備え、
前記故障判定がされたとき、正常系統の前記相電流検出値に対する前記相電流変換値の比率であるゲインを(N−M)/Nとすることにより、故障系統のインバータが供給していた電力を補うための電流を正常系統のインバータに通電させるように制御し、
前記故障判定から一定時間経過後、前記ゲインを徐々に大きくすることにより、正常系統のインバータが補う電力を徐々に小さくするように制御することを特徴とする請求項2に記載の電動機駆動装置。 - 前記電力制御手段は、前記電流制御手段をN個備え、
前記故障判定がされたとき、前記電流指令値をN/(N−M)倍にして正常系統のインバータへ出力することにより、故障系統のインバータが供給していた電力を補うための電流を正常系統のインバータに通電させるように制御し、
前記故障判定から一定時間経過後、正常系統のインバータへ出力する前記電流指令値を徐々に小さくすることにより、正常系統のインバータが補う電力を徐々に小さくするように制御することを特徴とする請求項2に記載の電動機駆動装置。 - 前記電力制御手段は、前記電流制御手段を1個備え、
前記故障判定がされたとき、故障系統に電流が流れていないと認識し、前記電流指令値をN/(N−M)倍にして出力することにより、故障系統のインバータが供給していた電力を補うための電流を正常系統のインバータに通電させるように制御し、
前記故障判定から一定時間経過後、正常系統のインバータへ出力する前記電流指令値を徐々に小さくすることにより、正常系統のインバータが補う電力を徐々に小さくするように制御することを特徴とする請求項2に記載の電動機駆動装置。 - 前記電力制御手段は、前記故障判定がされたとき、前記電流指令値の出力可能な上限値として設定される電流制限値を徐々に小さくするように制御することを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の電動機駆動装置。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の電動機駆動装置を用いて、操舵アシストトルクを発生する電動機を駆動することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
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