JP7280796B2 - モータ駆動装置 - Google Patents
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Description
本発明は、モータを駆動するモータ駆動装置に関する。
近年、機械学習技術の発展の恩恵を受け、自動車の自動運転化が進んでいる。自動運転車の場合、ドライバーが不在もしくは運転が出来る状態でないことが想定されている。このような状況の場合、車両の操舵については人間のハンドルを回す力を頼ることができず、電動パワーステアリング装置が全ての操舵力を担うこととなる。仮に電動パワーステアリング装置が故障により操舵力を喪失した場合、車両の操舵が不能になるため、電動パワーステアリング装置は故障をしても操舵力が喪失しないフェールオペレーショナルな構成が要求される。同様に、電気自動車の車両の前進駆動力を担うモータ、インバータに関しても、故障時において人間が乗った車両を少なくとも安全な路肩まで移動させるだけの駆動力を維持する必要があり、フェールオペレーショナルな構成が要求される。
以上のようなフェールオペレーショナル要求を満たすために、複数のコイルを有する複数相のモータを駆動するインバータについて、いずれかの相に故障が発生してもモータを駆動し続けられるようにしたモータ駆動装置が考えられている。
特許文献１には、「５相以上の複数相のコイルがスター結線により接続されたモータと、各相コイルの一端に接続され、直流電力を交流電力に変換してモータの各相に供給するインバータと、各相コイルの他端側に配置され、かつ、スター結線されたコイル間に挿入された複数の接点を用いて、モータの複数相のコイルのうち１相以上のコイルへの供給電力を遮断可能となるように構成されたパワーリレーと、インバータの制御信号を生成することで、モータの駆動を制御する制御部と、を備える。制御部は、モータの１相以上が故障した場合に、当該故障した相に対応するパワーリレーの接点を開放し、残る複数の相のうちで、略同一間隔となる３相以上の相を駆動する。」と記載されており、この構成によってモータのいずれかの相が故障した場合においてもモータの駆動を継続することができる。
上記特許文献１に記載のモータ駆動装置では、故障した相を他の正常な相から切り離すために、パワーリレーが用いられている。しかし、各リレーをＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）による半導体リレーで構成する場合、寄生ダイオードによる導通を防ぐために、それぞれ２直列のＭＯＳＦＥＴが必要となる。したがって、上記特許文献１に記載のモータ駆動装置では、電源からグランドまでの電流経路上で経由するＭＯＳＦＥＴの直列接続数が多くなり、その分だけオン抵抗が増え、電力損失が大きくなる可能性がある。
本発明の目的は、複数相のうちのある相の故障時に、残りの相によって運転を継続できるだけでなく、正常時にも、電力損失が小さく高効率の運転が可能なモータ駆動装置を提供することにある。
上記の課題を解決するために、本発明は、モータの複数のコイルをインバータにより駆動するモータ駆動装置であって、前記インバータと異なる第１中性点及び第２中性点が、前記複数のコイルに対して並列に接続する形で予め形成されており、前記第１中性点と接続されたコイルとの間に、コイル側にボディダイオードのカソードを有する第１ＭＯＳＦＥＴを備え、前記第２中性点と接続されたコイルとの間に、コイル側にボディダイオードのアノードを有する第２ＭＯＳＦＥＴを備えた。
本発明によれば、複数相のうちのある相の故障時に、残りの相によって運転を継続できるだけでなく、正常時にも、電力損失が小さく高効率の運転が可能なモータ駆動装置を提供できる。
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。なお、以下の実施例は本発明を実施する一例であり、これに限定されない。
≪実施例１≫
図１は、本実施例に係るモータ駆動装置及び５相モータ１の一例を示す回路図である。モータ駆動装置は、電源から直流電圧が供給される５相インバータ２と、５相モータ１の各相に対して予め中性点を形成する中性点切替部３と、を備えている。
図１は、本実施例に係るモータ駆動装置及び５相モータ１の一例を示す回路図である。モータ駆動装置は、電源から直流電圧が供給される５相インバータ２と、５相モータ１の各相に対して予め中性点を形成する中性点切替部３と、を備えている。
まず、５相インバータ２は、第４ＭＯＳＦＥＴ群Ｍ４１～Ｍ４５と、第５ＭＯＳＦＥＴ群Ｍ５１～Ｍ５５と、を有している。第４ＭＯＳＦＥＴ群Ｍ４１～Ｍ４５は、５相インバータ２の高電位側にあって上アームを構成する半導体スイッチング素子群であり、第５ＭＯＳＦＥＴ群Ｍ５１～Ｍ５５は、５相インバータ２の低電位側にあって下アームを構成する半導体スイッチング素子である。これらのスイッチング素子群のオン／オフは、図示しないインバータ制御部からの制御信号によって制御される。
また、上記５相インバータ２とグランドとの間には、第３ＭＯＳＦＥＴ群Ｍ３１～Ｍ３５を備えており、これら第３ＭＯＳＦＥＴ群Ｍ３１～Ｍ３５は、第５ＭＯＳＦＥＴ群Ｍ５１～Ｍ５５の各相出力と直列に接続されている。ここで、第３ＭＯＳＦＥＴ群Ｍ３１～Ｍ３５のボディダイオードは、それぞれグランドへ電流を流す向きに接続されている。すなわち、第３ＭＯＳＦＥＴ群Ｍ３１～Ｍ３５は、いずれもボディダイオードの向きが、グランド側にカソードが位置するようになっている。
なお、ボディダイオードとしては、ＭＯＳＦＥＴの構造上、必然的に形成される寄生ダイオードを想定したものであるが、意図的に設けたダイオードであっても構わない。これら第３ＭＯＳＦＥＴ群Ｍ３１～Ｍ３５は、後述のように、５相モータ１の中性点切替部３側の配線において地絡故障が発生したときに、５相モータ１に回生電流が流れるのを防止する役割を果たすものである。
次に、５相モータ１は、図示しない回転子と、固定子に巻かれた５相のコイル（Ｗ１～Ｗ５）と、を備えたブラシレスモータである。各相のコイルの一端側は、５相インバータ２の各相の上アーム及び下アームに接続されている。また、各相のコイルの他端側は、後述する中性点切替部３に設けられた、第１ＭＯＳＦＥＴ群Ｍ１１～Ｍ１５及び第２ＭＯＳＦＥＴ群Ｍ２１～Ｍ２５に接続されている。
中性点切替部３は、５相モータ１の各相のコイルに対し、並列に接続された第１ＭＯＳＦＥＴ群Ｍ１１～Ｍ１５及び第２ＭＯＳＦＥＴ群Ｍ２１～Ｍ２５を介して、予め２つの中性点を形成しておくものである。そして、この中性点切替部３は、５相インバータ２のある相が故障した際には、図示しない中性点制御部からの制御信号によって、各ＭＯＳＦＥＴ群を後述するように適宜オン／オフして、故障した相を５相モータ１から遮断分離する。
第１ＭＯＳＦＥＴ群Ｍ１１～Ｍ１５は、一端側が５相モータ１と接続され、他端側が互いにスター結線されて第１中性点である中性点４を形成している。第２ＭＯＳＦＥＴ群Ｍ２１～Ｍ２５も、一端側が５相モータ１と接続され、他端側が互いにスター結線されて第２中性点である中性点５を形成している。なお、中性点４及び中性点５は、いずれも電源にもグランドにも接続されていない。
ここで、第１ＭＯＳＦＥＴ群Ｍ１１～Ｍ１５は、いずれもボディダイオードの向きが、５相モータ１のコイル側にカソードが位置するようになっている。一方、第２ＭＯＳＦＴ群Ｍ２１～Ｍ２５は、いずれもボディダイオードの向きが、５相モータ１のコイル側にアノードが位置するようになっている。
また、本実施例では、５相インバータ２や各ＭＯＳＦＥＴの故障を検知するための、図示しない故障検知手段を備えている。この故障検知手段の一例としては、ＭＯＳＦＥＴのドレイン‐ソース間の電圧を監視し、所定の閾値と比較することによって、ＭＯＳＦＥＴの故障を検知するものが考えられる。また、他の例としては、各相に流れる電流を検知し、所定の閾値と比較することによって電流が過大もしくは過少であることを検知し、配線および５相モータ１の故障を検知するものが考えられる。故障検知手法は、その他広く知られている故障検知方法を用いることができる。
図２は、故障が発生していない、正常時の各ＭＯＳＦＥＴのオン／オフ状態を示す図である。図２の通り、正常時は、中性点切替部３におけるＭＯＳＦＥＴ(第１ＭＯＳＦＥＴ群Ｍ１１～Ｍ１５及び第２ＭＯＳＦＥＴ群Ｍ２１～Ｍ２５)の全てと、回生電流防止用のＭＯＳＦＥＴ（第３ＭＯＳＦＥＴ群Ｍ３１～Ｍ３５）の全てはオンとなっており、中性点４と中性点５でスター結線された５相のインバータ及びモータとして動作する。
次に、故障が発生したときの各ＭＯＳＦＥＴの動作について、故障の種類毎に説明する。
まず、インバータが故障したときにおける各ＭＯＳＦＥＴの動作について、故障の種類毎に説明する。ここで、インバータのＭＯＳＦＥＴの故障には、大きく分けて「ショート故障」と「オープン故障」とがある。「ショート故障」は、ＭＯＳＦＥＴのソース‐ドレイン間が短絡することで、スイッチが常に導通状態となる故障を指し、「オープン故障」は、ＭＯＳＦＥＴのソース‐ドレイン間が開放することで、スイッチが常に遮断状態となる故障を指す。
＜インバータの上アームにおけるショート故障＞
一例として、５相インバータ２の上アームを構成する第４ＭＯＳＦＥＴ群の１つである、Ｍ４５がショート故障した場合の動作について、図３を用いて説明する。この場合、Ｍ４５と接続されているコイルＷ５にバッテリ電圧が印加され続け、中性点切替部３を通してコイルＷ５および他のコイルＷ１～Ｗ４にモータの回転に寄与しない過大なＤＣ電流が流れ続け、モータの運転が継続不能となってしまう。そこで、Ｍ４５のショート故障を検知した場合には、以下の操作によりコイルＷ５に流れる電流を遮断し、残りのコイルＷ１～Ｗ４でモータの運転を継続する。
一例として、５相インバータ２の上アームを構成する第４ＭＯＳＦＥＴ群の１つである、Ｍ４５がショート故障した場合の動作について、図３を用いて説明する。この場合、Ｍ４５と接続されているコイルＷ５にバッテリ電圧が印加され続け、中性点切替部３を通してコイルＷ５および他のコイルＷ１～Ｗ４にモータの回転に寄与しない過大なＤＣ電流が流れ続け、モータの運転が継続不能となってしまう。そこで、Ｍ４５のショート故障を検知した場合には、以下の操作によりコイルＷ５に流れる電流を遮断し、残りのコイルＷ１～Ｗ４でモータの運転を継続する。
Ｍ４５がショート故障した場合、Ｍ４５と接続されているコイルＷ５の中性点（中性点切替部３）側の電圧は、バッテリ電圧にモータの誘起電圧が重畳された値となる。この電圧はバッテリ電圧の１／２である中性点電圧よりも高いため、ショート故障したＭ４５の相に対応したＭ１５をオフすることで、中性点４からコイルＷ５を遮断し、中性点４を過電圧から保護する。なお、Ｍ１１～Ｍ１４はオンの状態のままである。一方で、Ｍ２５をオフとしてもボディダイオードにより中性点５に電流が流れ込んでしまうが、Ｍ２１～Ｍ２５を全てオフとすることで、電流を遮断できる。このとき、下アームを構成する第５ＭＯＳＦＥＴ群のうち、Ｍ４５と同じ相であるＭ５５もオフにする。これにより、コイルＷ５に意図せぬ電流が流れぬよう遮断しつつ、中性点４を通して残りのコイルＷ１～Ｗ４はスター結線された４相モータとして運転の継続が可能となる。
＜インバータの上アームにおけるオープン故障＞
一例としてＭ４５がオープン故障した場合は、コイルＷ５には電流が流れなくなり、中性点切替部３の各ＭＯＳＦＥＴはＯＮのままであっても、残りのコイルＷ１～Ｗ４による４相モータとして運転の継続が可能である。このとき、下アームを構成する第５ＭＯＳＦＥＴ群のうち、Ｍ４５と同じ相であるＭ５５は、オフにする。
一例としてＭ４５がオープン故障した場合は、コイルＷ５には電流が流れなくなり、中性点切替部３の各ＭＯＳＦＥＴはＯＮのままであっても、残りのコイルＷ１～Ｗ４による４相モータとして運転の継続が可能である。このとき、下アームを構成する第５ＭＯＳＦＥＴ群のうち、Ｍ４５と同じ相であるＭ５５は、オフにする。
＜インバータの下アームにおけるショート故障＞
一例として、５相インバータ２の下アームを構成する第５ＭＯＳＦＥＴ群の１つである、Ｍ５５がショート故障した場合の動作について、図４を用いて説明する。この場合、Ｍ５５と接続されているコイルＷ５の５相インバータ２側の電圧がグランドに固着してしまう。すると、コイルＷ５の中性点側に中性点電圧がかかった場合にはコイルＷ５に過大なＤＣ電流が流れ続けてしまう。そこで、このときコイルＷ５の中性点側の電圧が中性点電圧よりも低くなるため、ショート故障したＭ５５の相に対応したＭ２５をオフすることで、中性点５からコイルＷ５を遮断する。こうすることで、中性点５の電圧を保護し、かつコイルＷ５に流れる意図しない電流を遮断する。なお、Ｍ２１～Ｍ２４はオンの状態のままである。一方で、Ｍ１５をオフとしてもボディダイオードにより中性点４から電流が流れ出してしまうが、Ｍ１１～Ｍ１５を全てオフにすることで、電流を遮断できる。このとき、上アームを構成する第４ＭＯＳＦＥＴ群のうち、Ｍ５５と同じ相であるＭ４５もオフにする。これにより、コイルＷ５に意図せぬ電流が流れぬよう遮断しつつ、中性点５を通して残りのコイルＷ１～Ｗ４はスター結線された４相モータとして運転の継続が可能となる。
一例として、５相インバータ２の下アームを構成する第５ＭＯＳＦＥＴ群の１つである、Ｍ５５がショート故障した場合の動作について、図４を用いて説明する。この場合、Ｍ５５と接続されているコイルＷ５の５相インバータ２側の電圧がグランドに固着してしまう。すると、コイルＷ５の中性点側に中性点電圧がかかった場合にはコイルＷ５に過大なＤＣ電流が流れ続けてしまう。そこで、このときコイルＷ５の中性点側の電圧が中性点電圧よりも低くなるため、ショート故障したＭ５５の相に対応したＭ２５をオフすることで、中性点５からコイルＷ５を遮断する。こうすることで、中性点５の電圧を保護し、かつコイルＷ５に流れる意図しない電流を遮断する。なお、Ｍ２１～Ｍ２４はオンの状態のままである。一方で、Ｍ１５をオフとしてもボディダイオードにより中性点４から電流が流れ出してしまうが、Ｍ１１～Ｍ１５を全てオフにすることで、電流を遮断できる。このとき、上アームを構成する第４ＭＯＳＦＥＴ群のうち、Ｍ５５と同じ相であるＭ４５もオフにする。これにより、コイルＷ５に意図せぬ電流が流れぬよう遮断しつつ、中性点５を通して残りのコイルＷ１～Ｗ４はスター結線された４相モータとして運転の継続が可能となる。
＜インバータの下アームにおけるオープン故障＞
Ｍ５５がオープン故障した場合は、コイルＷ５には電流が流れなくなり、中性点切替部３の各ＭＯＳＦＥＴはＯＮのままであっても、残りのコイルＷ１～Ｗ４による４相モータとして運転の継続が可能である。このとき、上アームを構成する第４ＭＯＳＦＥＴ群のうち、Ｍ５５と同じ相であるＭ４５は、オフにする。
Ｍ５５がオープン故障した場合は、コイルＷ５には電流が流れなくなり、中性点切替部３の各ＭＯＳＦＥＴはＯＮのままであっても、残りのコイルＷ１～Ｗ４による４相モータとして運転の継続が可能である。このとき、上アームを構成する第４ＭＯＳＦＥＴ群のうち、Ｍ５５と同じ相であるＭ４５は、オフにする。
＜回生電流防止用のＭＯＳＦＥＴにおけるショート故障＞
回生電流防止用の第３ＭＯＳＦＥＴ群（Ｍ３１～Ｍ３５）のいずれかがショート故障した場合は、問題なく５相のインバータ及びモータとして正常どおり動作する。だだし、後述の中性点切替部側の配線における地絡故障のような、第３ＭＯＳＦＥＴ群をオフにする対応が必要となる故障がその後発生する場合には、その対応がとれなくなるため、第３ＭＯＳＦＥＴ群のショート故障は検出したうえで警告を出し、管理者に修理を促すべきである。
回生電流防止用の第３ＭＯＳＦＥＴ群（Ｍ３１～Ｍ３５）のいずれかがショート故障した場合は、問題なく５相のインバータ及びモータとして正常どおり動作する。だだし、後述の中性点切替部側の配線における地絡故障のような、第３ＭＯＳＦＥＴ群をオフにする対応が必要となる故障がその後発生する場合には、その対応がとれなくなるため、第３ＭＯＳＦＥＴ群のショート故障は検出したうえで警告を出し、管理者に修理を促すべきである。
＜回生電流防止用のＭＯＳＦＥＴにおけるオープン故障＞
一例として、回生電流防止用の第３ＭＯＳＦＥＴ群（Ｍ３１～Ｍ３５）のうち、Ｍ３５がオープン故障した場合の動作に関し、図５を用いて説明する。この場合、Ｍ３５と同じ相にある上アームのＭ４５をオフにする。これにより、オープン故障が発生したＭ３５の相を除く、残りの４相による４相モータとして運転を継続する。このとき、中性点切替部３のＭＯＳＦＥＴのうち、Ｍ３５の相に対応したＭ１５とＭ２５は、オンでもオフでも構わない。
一例として、回生電流防止用の第３ＭＯＳＦＥＴ群（Ｍ３１～Ｍ３５）のうち、Ｍ３５がオープン故障した場合の動作に関し、図５を用いて説明する。この場合、Ｍ３５と同じ相にある上アームのＭ４５をオフにする。これにより、オープン故障が発生したＭ３５の相を除く、残りの４相による４相モータとして運転を継続する。このとき、中性点切替部３のＭＯＳＦＥＴのうち、Ｍ３５の相に対応したＭ１５とＭ２５は、オンでもオフでも構わない。
次に、５相モータ１が故障したときにおける各ＭＯＳＦＥＴの動作について、説明する。５相モータ１の故障に関しては、大きく分けて、各コイルＷ１～Ｗ５の短絡故障や断線故障に加えて、配線がグランドとの間で短絡する地絡故障がある。配線が電源との間で短絡する天絡故障については、車両の場合にはモータやインバータの筐体が全てグランド電位となっているため、天絡故障が発生する確率は地絡故障と比較して各段に低く、無視することができる。
＜コイルの短絡故障＞
コイルの短絡故障とは、コイル被覆の傷、欠損などを例としてコイル内で発生する短絡のことであり、コイルのインダクタンスが著しく減少したり、発生する磁界が弱まったりする。各コイルＷ１～Ｗ５の短絡故障に対しては、故障したコイルに接続するインバータ相の上アームおよび下アームのＭＯＳＦＥＴをオフとすることで、故障したコイルへの電流を遮断し、残りの４相でモータとしての運転の継続が可能である。一例として、コイルＷ５が短絡故障をした場合、Ｍ４５およびＭ５５をオフとすることで、コイルＷ５に意図せぬ電流が流れぬよう遮断することができる。
コイルの短絡故障とは、コイル被覆の傷、欠損などを例としてコイル内で発生する短絡のことであり、コイルのインダクタンスが著しく減少したり、発生する磁界が弱まったりする。各コイルＷ１～Ｗ５の短絡故障に対しては、故障したコイルに接続するインバータ相の上アームおよび下アームのＭＯＳＦＥＴをオフとすることで、故障したコイルへの電流を遮断し、残りの４相でモータとしての運転の継続が可能である。一例として、コイルＷ５が短絡故障をした場合、Ｍ４５およびＭ５５をオフとすることで、コイルＷ５に意図せぬ電流が流れぬよう遮断することができる。
＜コイルの断線故障＞
コイルの断線故障は、焼損や機械的振動による疲労によりコイルを構成する電線が破断することで発生する。コイルの断線故障が発生した場合、コイルに電流を流すことができず磁力も発生できない。一例としてコイルＷ５に断線故障が発生した場合には、残りのコイルＷ１～Ｗ４でモータの運転を継続することができる。中性点切替部３のＭＯＳＦＥＴや回生電流防止用のＭＯＳＦＥＴを操作する必要はない。
コイルの断線故障は、焼損や機械的振動による疲労によりコイルを構成する電線が破断することで発生する。コイルの断線故障が発生した場合、コイルに電流を流すことができず磁力も発生できない。一例としてコイルＷ５に断線故障が発生した場合には、残りのコイルＷ１～Ｗ４でモータの運転を継続することができる。中性点切替部３のＭＯＳＦＥＴや回生電流防止用のＭＯＳＦＥＴを操作する必要はない。
＜中性点切替部側の配線における地絡故障＞
一例として、５相モータ１のコイルの１つであるコイルＷ５が、中性点側の配線において、地絡故障した場合の動作に関し、図６を用いて説明する。この場合、コイルＷ５の中性点側の電圧が、中性点電圧よりも低くなるため、地絡した相に対応したＭ２５をオフにすることで、中性点５からコイルＷ５を遮断し、中性点５を地絡から保護する。なお、Ｍ２１～Ｍ２４はオンの状態のままである。一方で、中性点４は地絡するため、Ｍ１５をオフとしてもボディダイオードにより中性点４から電流が流れて出してしまうが、Ｍ１１～Ｍ１５を全てオフとすることで、電流を遮断できる。このとき、コイルＷ５と接続されている５相インバータ２のＭＯＳＦＥＴであるＭ４５及びＭ５５もオフにする。これにより、コイルＷ５に意図せぬ電流が流れぬよう遮断しつつ、中性点５を通して残りのコイルＷ１～Ｗ４はスター結線された４相モータとして運転の継続が可能となる。
また、回生電流防止用の第３ＭＯＳＦＥＴ群（Ｍ３１～Ｍ３５）のうち、Ｗ５と同じ相であるＭ３５をオフとすることで、Ｍ５５のボディダイオードおよびグランドを介したコイルＷ５の回生電流ループが遮断され、ブレーキトルクの発生を防ぐことができる。
一例として、５相モータ１のコイルの１つであるコイルＷ５が、中性点側の配線において、地絡故障した場合の動作に関し、図６を用いて説明する。この場合、コイルＷ５の中性点側の電圧が、中性点電圧よりも低くなるため、地絡した相に対応したＭ２５をオフにすることで、中性点５からコイルＷ５を遮断し、中性点５を地絡から保護する。なお、Ｍ２１～Ｍ２４はオンの状態のままである。一方で、中性点４は地絡するため、Ｍ１５をオフとしてもボディダイオードにより中性点４から電流が流れて出してしまうが、Ｍ１１～Ｍ１５を全てオフとすることで、電流を遮断できる。このとき、コイルＷ５と接続されている５相インバータ２のＭＯＳＦＥＴであるＭ４５及びＭ５５もオフにする。これにより、コイルＷ５に意図せぬ電流が流れぬよう遮断しつつ、中性点５を通して残りのコイルＷ１～Ｗ４はスター結線された４相モータとして運転の継続が可能となる。
また、回生電流防止用の第３ＭＯＳＦＥＴ群（Ｍ３１～Ｍ３５）のうち、Ｗ５と同じ相であるＭ３５をオフとすることで、Ｍ５５のボディダイオードおよびグランドを介したコイルＷ５の回生電流ループが遮断され、ブレーキトルクの発生を防ぐことができる。
＜インバータ側の配線における地絡故障＞
一例として、５相モータ１のコイルの１つであるコイルＷ５が、５相インバータ２側の配線において、地絡故障した場合の動作に関し、図７を用いて説明する。この場合も、コイルＷ５の中性点側の電圧が、中性点電圧よりも低くなるため、地絡した相に対応したＭ２５をオフにすることで中性点５からコイルＷ５を遮断する。なお、Ｍ２１～Ｍ２４はオンの状態のままである。一方で、Ｍ１５をオフとしてもボディダイオードにより中性点４から電流が流れて出してしまうが、Ｍ１１～Ｍ１５を全てオフとすることで、電流を遮断できる。このとき、コイルＷ５と接続されている５相インバータ２の上アームのＭ４５もオフにする。これにより、コイルＷ５に意図せぬ電流が流れぬよう遮断しつつ、中性点５を通して残りのコイルＷ１～Ｗ４はスター結線された４相モータとして運転の継続が可能となる。なお、下アームのＭ２５と回生電流防止用のＭ３５は、オンでもオフでも構わない。
一例として、５相モータ１のコイルの１つであるコイルＷ５が、５相インバータ２側の配線において、地絡故障した場合の動作に関し、図７を用いて説明する。この場合も、コイルＷ５の中性点側の電圧が、中性点電圧よりも低くなるため、地絡した相に対応したＭ２５をオフにすることで中性点５からコイルＷ５を遮断する。なお、Ｍ２１～Ｍ２４はオンの状態のままである。一方で、Ｍ１５をオフとしてもボディダイオードにより中性点４から電流が流れて出してしまうが、Ｍ１１～Ｍ１５を全てオフとすることで、電流を遮断できる。このとき、コイルＷ５と接続されている５相インバータ２の上アームのＭ４５もオフにする。これにより、コイルＷ５に意図せぬ電流が流れぬよう遮断しつつ、中性点５を通して残りのコイルＷ１～Ｗ４はスター結線された４相モータとして運転の継続が可能となる。なお、下アームのＭ２５と回生電流防止用のＭ３５は、オンでもオフでも構わない。
最後に、中性点切替部３が故障したときにおける各ＭＯＳＦＥＴの動作について、説明する。中性点切替部３を構成するＭＯＳＦＥＴの故障には大きく分けてショート故障とオープン故障とがある。前述したように正常時においては第１ＭＯＳＦＥＴ群Ｍ１１～Ｍ１５及び第２ＭＯＳＦＥＴ群Ｍ２１～Ｍ２５の全てはオンであるため、いずれか一つのＭＯＳＦＥＴにショート故障が生じた場合でもモータの運転継続に支障が生じない。また、いずれか一つのＭＯＳＦＥＴにオープン故障が発生した場合においても、中性点切替部３は予め２つの中性点４、中性点５を並列に有しているため、オープン故障によってモータのスター結線が崩れることはなく、モータの運転を継続することができる。
図８に示すのは、図１～７で図示しなかったゲートドライバの接続例を図示したものである。ゲートドライバの故障は、当該ゲートドライバが駆動するＭＯＳＦＥＴのオン、オフ状態を意図せぬものにする恐れがある。そのため、状態の組み合わせが定まらないとモータの運転継続に影響を及ぼす複数のＭＯＳＦＥＴは同一のゲートドライバに接続することを避けるべきである。
このようなＭＯＳＦＥＴの組み合わせ例としては、インバータの上アームのＭＯＳＦＥＴと下アームのＭＯＳＦＥＴがある。しかしながら、もしゲートドライバの故障時にＭＯＳＦＥＴの状態を確実にオンもしくはオフにする安全機構をゲートドライバが有しており、この安全機構が十分な確率で機能することが保証されているのであれば、同一のゲートドライバに状態の組み合わせに制限のある複数のＭＯＳＦＥＴを接続することは可能である。ここでは、ゲートドライバにそのような安全機構がないとしてゲートドライバの接続構成を説明する。
まず、インバータの上アームと下アームでゲートドライバをゲートドライバ群６１とゲートドライバ群６２とに分ける。これは、貫通電流を引き起こす上下アームの同時オンを、ゲートドライバの故障から防ぐためである。回生電流防止用の第３ＭＯＳＦＥＴ群は、下アームのＭＯＳＦＥＴ群と同一のゲートドライバで問題ない。これは、仮に回生電流防止用の第３ＭＯＳＦＥＴがオフ状態に固着した場合でも、対応する相の上アームをオフにさえすれば下アームのＭＯＳＦＥＴの状態がオンでもオフでも残る４相でのモータ駆動に影響を与えないためである。中性点切替部３のＭＯＳＦＥＴは、第１ＭＯＳＦＥＴ群Ｍ１１～Ｍ１５と第２ＭＯＳＦＥＴ群Ｍ２１～Ｍ２５でゲートドライバをゲートドライバ６３、６４のように分けることが望ましい。第１ＭＯＳＦＥＴ群と第２ＭＯＳＦＥＴ群が仮に同時にオフになると、中性点４および中性点５の両方が５相モータから切り離されるため、スター結線が確保されずモータの駆動が不能になる。ゲートドライバ６３、６４のようにゲートドライバを分けることで、ゲートドライバの故障時も中性点４，５のいずれかが必ず機能することを保証できる。
ここで、上述のモータ駆動装置を、電動パワーステアリング装置に適用した場合について説明する。この電動パワーステアリング装置は、上述のモータ駆動装置の他、ステアリングホイールと、このステアリングホイールに取付けられた回転軸と、この回転軸に取付けられたトルクセンサと、操舵機構と、マイクロプロセッサと、５相モータと、を備えている。操舵機構は、回転軸により操舵され車輪の方向を制御する。操舵機構または回転軸は５相モータにより操舵力を補助される。インバータ制御部であるマイクロプロセッサは、トルクセンサの出力に基づいて、第４ＭＯＳＦＥＴ群Ｍ４１～Ｍ４５、第５ＭＯＳＦＥＴ群Ｍ５１～Ｍ５５を制御する。５相モータは、これらスイッチング素子によって構成される５相インバータにより駆動される。ある相で故障が発生した際には、所定のＭＯＳＦＥＴをオフとすることで、当該相を遮断分離し、残りの４相にて５相モータの運転を継続する。これにより、電動パワーステアリング装置として、ステアリングホイールに加えられる人力によるモータに対する操作、すなわち回転軸、操舵機構に対する操作が妨げられることなく、安全を確保できる。
なお、本実施例では、モータ駆動装置を電動パワーステアリング装置に適用した場合について説明したが、電気自動車の主機モータなど、これ以外のものにも適用できる。
次に、本実施例による効果について説明する。
従来のように、中性点切替部を半導体リレーで構成すると、各半導体リレーは、寄生ダイオードによる導通を防ぐために、２直列のＭＯＳＦＥＴが必要となる。したがって、従来のモータ駆動装置では、電源からグランドまで電流が通過するＭＯＳＦＥＴの数が、合計で６つとなる。
これに対して、本実施例のように、中性点を並列に２つ形成して電流を２分割し、各中性点とコイルとの間にＭＯＳＦＥＴを設けてＭＯＳＦＥＴを２直列とすることにより、中性点切替部においてはＭＯＳＦＥＴが１つと等価となる。したがって、本実施例のモータ駆動装置では、電源からグランドまで電流が通過するＭＯＳＦＥＴ数が、合計で４つとなる。このため、モータが正常に駆動しているときのＭＯＳＦＥＴの総オン抵抗が減少し、電力損失の小さな高効率なモータ駆動装置が実現できる。
これに対して、本実施例のように、中性点を並列に２つ形成して電流を２分割し、各中性点とコイルとの間にＭＯＳＦＥＴを設けてＭＯＳＦＥＴを２直列とすることにより、中性点切替部においてはＭＯＳＦＥＴが１つと等価となる。したがって、本実施例のモータ駆動装置では、電源からグランドまで電流が通過するＭＯＳＦＥＴ数が、合計で４つとなる。このため、モータが正常に駆動しているときのＭＯＳＦＥＴの総オン抵抗が減少し、電力損失の小さな高効率なモータ駆動装置が実現できる。
また、５相のうち１相が何らかの故障を生じた場合でも、当該相を５相モータから遮断分離し、モータの運転を継続できるだけでなく、残りの４相すべてを使ってモータを運転できるので、故障時のトルクの減少幅を抑制できる。
さらに、回生電流防止用のＭＯＳＦＥＴを設けたので、中性点切替部側の配線に地絡故障が発生した場合でも、回生電流ループが遮断され、ブレーキトルクによってモータが制御困難となるのを抑制できる。
≪実施例２≫
図９は、本実施例に係るモータ駆動装置及び５相モータ１の一例を示す回路図である。本実施例の中性点切替部３１も、５相モータ１に対して２つの中性点を並列に接続する点では共通しているが、３つのＭＯＳＦＥＴによる２相－２相－１相で、各中性点に対して接続している点において、実施例１とは異なっている。
図９は、本実施例に係るモータ駆動装置及び５相モータ１の一例を示す回路図である。本実施例の中性点切替部３１も、５相モータ１に対して２つの中性点を並列に接続する点では共通しているが、３つのＭＯＳＦＥＴによる２相－２相－１相で、各中性点に対して接続している点において、実施例１とは異なっている。
図１０を用いて、本実施例における５相モータ１のコイルの１つであるコイルＷ１が、中性点切替部３１側の配線において地絡故障した例に関し、各ＭＯＳＦＥＴの動作を説明する。この場合、コイルＷ１の中性点側の電圧が、中性点電圧よりも低くなるため、第２ＭＯＳＦＥＴ群の一つであるＭ２ａをオフにすることで、中性点５からコイルＷ１を遮断し、中性点５を地絡から保護する。一方で、中性点４は地絡するため、第１ＭＯＳＦＥＴ群の一つであるＭ１ａをオフとしてもボディダイオードにより中性点４から電流が流れて出してしまうが、Ｍ１ａ～Ｍ１ｃを全てオフとすることで、電流を遮断できる。このとき、コイルＷ１と接続されている５相インバータ２１における上アームのＭ４１及び下アームのＭ５１もオフにする。これにより、コイルＷ１に意図せぬ電流が流れぬよう遮断しつつ、中性点５を通じたコイルＷ３～Ｗ５による３相モータとして運転の継続が可能となる。また、回生電流防止用のＭＯＳＦＥＴ群（Ｍ３ａ～Ｍ３ｃ）のうち、Ｗ１と同じ相であるＭ３ａをオフとすることで、Ｍ５１のボディダイオードおよびグランドを介したコイルＷ１の回生電流ループが遮断され、ブレーキトルクの発生を防ぐことができる。
本実施例では、５相のうち１相が故障した場合、残りの４相のうち３相を使った３相モータとして運転の継続が可能となる。本実施例は、１相が故障しても４相モータとして運転継続ができる実施例１と比べると、トルクの減少幅は大きくなるものの、合計のＭＯＳＦＥＴ数を抑制できる利点もある。
本発明は、上述の実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上述の実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることもできる。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることもできる。また、各実施例の構成の一部について、他の構成を追加・削除・置換することもできる。
例えば、上述の実施例１，２では、５相モータの場合を例にして説明したが、他の複数相を備えるモータであっても良い。ただし、３相モータの場合は、１相が故障するとスター結線でモータを駆動できなくなり、別のインバータで中性点を駆動する必要が生じるため、４相以上のモータが望ましい。
例えば、上述の実施例１，２では、５相モータの場合を例にして説明したが、他の複数相を備えるモータであっても良い。ただし、３相モータの場合は、１相が故障するとスター結線でモータを駆動できなくなり、別のインバータで中性点を駆動する必要が生じるため、４相以上のモータが望ましい。
１：５相モータ、２，２１：５相インバータ、３，３１：中性点切替部、４：（第１）中性点、５：（第２）中性点、６１，６２：ゲートドライバ群、６３，６４：ゲートドライバ、Ｍ１１～Ｍ１２：第１ＭＯＳＦＥＴ群（５相インバータの上アーム）、Ｍ２１～Ｍ２５：第２ＭＯＳＦＥＴ群（５相インバータの下アーム）、Ｍ３３～Ｍ３５，Ｍ３ａ～Ｍ３ｃ：第３ＭＯＳＦＥＴ群（回生電流防止用）、Ｍ４１～Ｍ４５，Ｍ４ａ～Ｍ４ｃ：第４ＭＯＳＦＥＴ群（第１中性点を形成）、Ｍ５１～Ｍ５５，Ｍ５ａ～Ｍ５ｃ：第５ＭＯＳＦＥＴ群（第２中性点を形成）、Ｗ１～Ｗ５：コイル
Claims (6)
- モータの複数のコイルをインバータにより駆動するモータ駆動装置であって、
前記インバータと異なる第１中性点及び第２中性点が、前記複数のコイルに対して並列に接続することで予め形成されており、
前記第１中性点と接続されたコイルとの間に、コイル側にボディダイオードのカソードを有する第１ＭＯＳＦＥＴを備え、
前記第２中性点と接続されたコイルとの間に、コイル側にボディダイオードのアノードを有する第２ＭＯＳＦＥＴを備え、
前記インバータとグランドとの間に、前記グランド側にボディダイオードのカソードを有する第３ＭＯＳＦＥＴを備え、
前記モータの中性点側のある相の配線で地絡故障が発生した場合、
当該相に接続される前記第２ＭＯＳＦＥＴをオフにし、当該相に接続される前記第３ＭＯＳＦＥＴをオフにするとともに、
当該相に接続される前記第１ＭＯＳＦＥＴ及び他の相に接続される前記第１ＭＯＳＦＥＴをオフにすることを特徴とするモータ駆動装置。 - モータの複数のコイルをインバータにより駆動するモータ駆動装置であって、
前記インバータと異なる第１中性点及び第２中性点が、前記複数のコイルに対して並列に接続することで予め形成されており、
前記第１中性点と接続されたコイルとの間に、コイル側にボディダイオードのカソードを有する第１ＭＯＳＦＥＴを備え、
前記第２中性点と接続されたコイルとの間に、コイル側にボディダイオードのアノードを有する第２ＭＯＳＦＥＴを備え、
前記モータのインバータ側のある相の配線で地絡故障が発生した場合、
当該相に接続される前記第２ＭＯＳＦＥＴをオフにするとともに、
当該相に接続される前記第１ＭＯＳＦＥＴ及び他の相に接続される前記第１ＭＯＳＦＥＴをオフにすることを特徴とするモータ駆動装置。 - モータの複数のコイルをインバータにより駆動するモータ駆動装置であって、
前記インバータと異なる第１中性点及び第２中性点が、前記複数のコイルに対して並列に接続することで予め形成されており、
前記第１中性点と接続されたコイルとの間に、コイル側にボディダイオードのカソードを有する第１ＭＯＳＦＥＴを備え、
前記第２中性点と接続されたコイルとの間に、コイル側にボディダイオードのアノードを有する第２ＭＯＳＦＥＴを備え、
前記インバータの上アームのある相でショート故障が発生した場合、
当該相に接続される前記第１ＭＯＳＦＥＴをオフにするとともに、
当該相に対応した前記第２ＭＯＳＦＥＴ及び他の相に対応した前記第２ＭＯＳＦＥＴをオフにすることを特徴とするモータ駆動装置。 - モータの複数のコイルをインバータにより駆動するモータ駆動装置であって、
前記インバータと異なる第１中性点及び第２中性点が、前記複数のコイルに対して並列に接続することで予め形成されており、
前記第１中性点と接続されたコイルとの間に、コイル側にボディダイオードのカソードを有する第１ＭＯＳＦＥＴを備え、
前記第２中性点と接続されたコイルとの間に、コイル側にボディダイオードのアノードを有する第２ＭＯＳＦＥＴを備え、
前記インバータの下アームのある相でショート故障が発生した場合、
当該相に接続される前記第２ＭＯＳＦＥＴをオフにするとともに、
当該相に対応した前記第１ＭＯＳＦＥＴ及び他の相に対応した前記第１ＭＯＳＦＥＴをオフにすることを特徴とするモータ駆動装置。 - モータの複数のコイルをインバータにより駆動するモータ駆動装置であって、
前記インバータと異なる第１中性点及び第２中性点が、前記複数のコイルに対して並列に接続することで予め形成されており、
前記第１中性点と接続されたコイルとの間に、コイル側にボディダイオードのカソードを有する第１ＭＯＳＦＥＴを備え、
前記第２中性点と接続されたコイルとの間に、コイル側にボディダイオードのアノードを有する第２ＭＯＳＦＥＴを備え、
前記モータは４相以上のモータであって、
各相の前記コイル毎に、それぞれ前記第１ＭＯＳＦＥＴ及び前記第２ＭＯＳＦＥＴを備えており、
前記４相以上のうち１相で故障が発生した場合、故障した相以外の全ての相を使って前記モータの運転を継続することを特徴とするモータ駆動装置。 - 請求項１乃至５のいずれかに記載のモータ駆動装置において、
前記第１ＭＯＳＦＥＴと前記第２ＭＯＳＦＥＴとは、別々のゲートドライバにより駆動されることを特徴とするモータ駆動装置。
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