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JP6302770B2 - モータ制御装置および該モータ駆動回路を用いた電動パワーステアリングシステム。 - Google Patents

モータ制御装置および該モータ駆動回路を用いた電動パワーステアリングシステム。 Download PDF

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JP6302770B2 JP2014133499A JP2014133499A JP6302770B2 JP 6302770 B2 JP6302770 B2 JP 6302770B2 JP 2014133499 A JP2014133499 A JP 2014133499A JP 2014133499 A JP2014133499 A JP 2014133499A JP 6302770 B2 JP6302770 B2 JP 6302770B2
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Description

本発明は、半導体スイッチング素子を用いて、電源から供給される電力を変換するモータ制御装置に関する。
制御の自動化が進み、電子制御装置の安全性および信頼性に対する要求が高まってきている。電子制御装置の安全性を確保するために、異常発生時に直ちにその異常を検出して動作を停止することが求められている。
また、安全のために故障時に動作を確実に停止させるだけでなく、安全性を確保した上で動作継続をすることも求められている。例えば、電動パワーステアリングシステムの性能向上に伴い、より重量の大きな大型車にも適用されるようになってきており、故障時に動作を停止させると人力での大きな操舵力が必要となるため、故障発生時においても安全性を確保した上で動作を継続させることが必要である。
電動パワーステアリングシステムの故障時にも動作を継続可能とする技術については例えば、特許文献1(特開2012―161154号公報)に記載されているように、モータに巻線の組を2組備え、該2組の巻線を2組のインバータで駆動する技術が示されている。この特許文献1では、2組のインバータのPWM変調のデューティサイクルにオフセットを加えることでリップル電流を低減し、オフセットを操舵状態により切り替えることにより熱損失の片寄りを低減する技術が示されている。
特開2012―161154号公報
上記特許文献1に記載されている技術では、故障時にも動作を継続可能とするために2組のインバータが必要となり、コストアップの可能性がある。そこで、故障時以外の正常時でもコストアップを上回るメリットを享受できることがさらに望ましい。上記特許文献1では2組のインバータのPWM変調のデューティサイクルにオフセットを加えることでリップル電流を低減する技術が示されている。
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、リップル電流を低減することはもとより、発熱を低減して動作効率を向上させることを目的とする。
上記課題を実現するために本発明では、nを2以上の整数と定義し、n組の巻線をn組のインバータで駆動するモータ制御装置において、前記n組のインバータの出力が高出力時には、前記n組のインバータのうち少なくとも1つ以上のインバータの出力デューティサイクルを100%とし、さらに
(1)前記n組のインバータは、前記出力デューティサイクルを100%としたインバータが一定周期で交代する、又は、
(2)mを前記n以下の整数と定義し、前記n組のインバータ出力の総合デューティサイクルの目標値がm × 100/n %以上のときは、m個のインバータの出力デューティサイクルを100%とし、前記n組のインバータ出力のデューティサイクルは、前記総合デューティサイクルによって微分可能である、又は、
(3)mを前記n以下の整数と定義し、前記n組のインバータ出力の総合デューティサイクルの目標値がm × 100/n %以上のときは、m個のインバータの出力デューティサイクルを100%とし、前記n組のインバータ出力のデューティサイクルの前記総合デューティサイクルについての第1次導関数が0以上である、又は、
(4)前記n組のインバータの全てが正常な場合には出力波形のスイッチング波形の傾きを緩やかにし、前記n組のインバータに故障が発生した場合には残存するインバータの該出力波形のスイッチング波形の傾きを急峻にするように制御するスロープ制御機能を有することを特徴とする。
以上述べたように本発明によれば、モータを駆動するインバータのスイッチング損失を低減することができ、効率を向上させることができる。
本実施形態に係るモータインバータのシステムのブロック図である。 Dall≧50%の時のモータ駆動波形の実施例を示す波形図である。 Dall<50%の時には、Da=2Dall,Db=0とし、Dall≧50%の時には、Da=100%、Db=(2Dall―100)%とするマップ図である。 Dall<50%の時のモータ駆動波形の実施例を示す波形図である。 Dall<50%の時には、Da=Db=Dallとし、Dall≧50%の時には、Da=100%、Db=(2Dall―100)%とするマップ図である。 2組のインバータのモータ駆動の波形図である。 図5において、Da、Dbの急変を避けた実施例を示すマップ図である。 Da、DbをDallについて広義の単調増加(∂Da/∂Dall≧0、∂Db/∂Dall≧0)とした実施例を示すマップ図である。 2組のインバータのモータ駆動の波形図である。 MOSFETのオン抵抗Ronが大きい場合の損失のグラフである。 MOSFETのオン抵抗Ronが小さい場合の損失のグラフである。 MOSFETのオン抵抗Ronが小さい場合の損失のグラフである。 第1インバータ100‐1と第2インバータ100‐2のそれぞれのデューティサイクルD1,D2の時間変化を示したものである。 第1インバータ100‐1と第2インバータ100‐2のうちの一方が故障し、残り一方のみでモータ2を駆動している実施例を示す波形図である。 第1インバータ100‐1と第2インバータ100‐2のうちの一方が故障し、残り一方のみでモータ2を駆動している実施例を示す波形図である。 本実施形態を実現する為の制御装置200の実施例を示すブロック図である。 本実施形態に係るモータ制御装置の第1のシステムブロック図である。 本実施形態に係るモータ制御装置の第2のシステムブロック図である。 本実施形態に係る電動パワーステアリングシステムの構成図である。
実施例に基づく本発明を説明する前に、本発明の原理について説明する。
複数(n個)のインバータによりモータを駆動する場合、単一のインバータでモータを駆動する場合と等価なデューティサイクル(以下、総合デューティサイクルDall)は、それぞれのインバータの定格が同一ならば、それぞれのインバータ出力のデューティサイクルDi(i:インバータのID番号)の平均値、即ち、以下の数1となる。
1つのインバータの出力デューティサイクルが100%とすると、Dallは100/n%以上となるため、本方式では目標とする総合デューティサイクルDallが100/n%以上のときにのみ、1つのインバータの出力デューティサイクルを100%としても、任意のDallを得ることができる。
2つのインバータを備える場合を考えれば、目標とするDallが50%以上のときにのみ、1つのインバータの出力デューティサイクルを100%としても、任意のDallを得ることができる。
以上述べた方法によれば、少なくとも2組のインバータの内の1つのインバータのデューティサイクルを100%とすることにより、スイッチング損失を低減することができる。ここでスイッチング損失とは、スイッチング素子のオン/オフに伴う損失に加えて、還流時同期スイッチングのためにオンするまでの期間のボディダイオードのジャンクション電位差による損失である。
さらに、デューティサイクルが100%のインバータを交互に切り替えることにより、熱損失(オーミック損失:P=RonxI^2、ただし、P:発熱、Ron:スイッチング素子のオン抵抗、I:電流)の片寄りを低減することができる。
以下、図に基づいて本発明の実施形態に説明を加える。
<実施形態1>
図1は、本実施形態に係るモータインバータのシステムのブロック図である。
モータ2は、2組の巻線を有し、それぞれ2つの第1インバータ100‐1、第2インバータ100‐2により駆動される。モータ2の巻線は、Δ結線、Y結線(スター結線)が考えられるが、本実施形態ではΔ結線、Y結線いずれにも適用可能である。また、本実施形態では2組のインバータを有する場合について説明するが、2組以上のインバータを備えるモータ制御装置においても本実施形態に係る発明は適用可能である。
つまり、nをインバータの個数と定義し、さらにmをn以下の整数と定義し、n組のインバータ出力の総合デューティサイクルの目標値がm × 100/n %以上のときは、m個のインバータの出力デューティサイクルを100%とする。
本実施形態では、モータ2の第1巻線の組には第1インバータ100‐1によりDu1、Dv1、Dw1が加えられる。同様に、モータ2の第2巻線の組には第2インバータ100‐2によりDu2、Dv2、Dw2のデューティサイクルの波形が加えられる。
図2は本実施形態によるモータ駆動波形図である。
図2に示すように、第1インバータ100‐1によるDu1、Dv1、Dw1は、デューティサイクルが100%となるDa、デューティサイクルが100%以外となるDbの順に、1/f1を周期となるように切り替えられる。同様に、第2インバータ100‐2によるDu2、Dv2、Dw2は、Db、Daの順に1/f1を周期となるように切り替えられる。なお、PWM波形の周期を1/f2とする。
以上、述べた実施例により、デューティサイクルDa(=100%)のときにはスイッチング動作をしないためスイッチング損失が発生せず、その分損失を減らすことができる。また、交互にデューティサイクルDa(=100%)で駆動するために発熱が一方のインバータに集中することも避けることができる。
見方を変えれば、Da(=100%)のときには、f1がスイッチング周波数となり、Dbの時にはf2がスイッチング周波数となると考えることもできる。ここで、f1<f2であるので、f1がスイッチング周波数であるDa(=100%)のときのスイッチング損失を大幅に低減することができる。
ここで、f2は可聴域以上の周波数であることが望ましく、また周期1/f1は第1インバータ100‐1、第2インバータ100‐2の熱時定数と比較して小さいことが望ましい。具体的には周期1/f1は、インバータの放熱器の熱時定数よりも小さいことが望ましい。
<実施形態2>
図3、図5、図7、図8に目標とする目標とする総合デューティサイクルDallと、各インバータに分担されるデューティサイクルDa、Dbの実施例を示す。
図3は、Dall<50%の時には、Da=2Dall,Db=0とし、Dall≧50%の時には、Da=100%、Db=(2Dall―100)%とするマップ図である。図4は、Dall<50%の時のモータ駆動波形の実施例を示す波形図である。図2は、Dall≧50%の時のモータ駆動波形の実施例を示す波形図である。
図5は、Dall<50%の時には、Da=Db=Dallとし、Dall≧50%の時には、Da=100%、Db=(2Dall―100)%とするマップ図である。Dall<50%の時には、図6に示すように、第1インバータ100‐1と第2インバータ100‐2は同一のデューティサイクルで動作するが、其々逆相の波形として、電源及び電源に接続されているキャパシタに流れるリップル電流を低減している。Dall≧50%の時には図3の実施例と同様に図2に示すモータ駆動波形となる。
図7は、図5において、Da、Dbの急変を避けた実施例を示すマップ図である。Dall=50%となる直前のDall=x1から徐々にDa、DbをDa=Db=Dallから増減させてDall=50%の時にDa=100%、Db=0%となるように変化させ、Dall≧50%の時には、Da=100%、Db=(2Dall―100)%とする実施例である。Dallが、x1から50%の間の時にはモータ駆動波形は図9に示すようにDa,Dbが交互に切り替わる波形となる。
制御ループ内にDallからDa、Dbへの変換を有する場合、Da、Dbが急変する特性を有する場合にはDallの誤差によりに制御系の動作が不安定になり、ハンリチングなどが発生する可能がある。本実施例はDa、Dbの急変を避けることで、制御系の動作が不安定になる可能を排除している。なおx1は、例えば、Dall=45%等である。
図8はさらにDa、DbをDallについて広義の単調増加(∂Da/∂Dall≧0、∂Db/∂Dall≧0)とした実施例を示すマップ図である。Dall<x1の領域ではDa=Db=Dallとし、x1<Dall<x2の領域ではDb=x1とし、Da=2Dall−x1と増加させ、x2<Dallの領域ではDa=100%、Db=2Dall−100%とする。
図17は、本実施形態に係るモータ制御装置の第1のシステムブロック図である。図18は、本実施形態に係るモータ制御装置の第2のシステムブロック図である。
図17又は図18に示すように制御装置200‐1及び200‐2の故障の影響を回避するために2重化(冗長化)した制御装置200−1、200−2を有するシステム構成の場合には、制御装置200−1又は200−2の間で、図18に示されるA/D変換器208‐1及び208‐2の変換誤差などに起因してDallの目標値に差が生じる可能性がある。
このようにDallの目標値に誤差を含む場合、図7に示すようにDall→Da,Dbの変換が単調増加でなく、減少する部分がある場合には、制御が不安定となる可能性がある。例えば誤差により、制御装置200−1、200−2内のDaを出力する側においてDallの目標値がX1未満で、Dbを出力する側でDallの目標値がX1以上の時には、Daの傾きは1、Dbの傾きは極端なマイナスとなり、(Da+Db)の傾きはマイナスとなる。従って、本来プラスであるべき制御ゲインがマイナスとなる点が生じ、制御系の安定度を損なうことになる。
そこで、本実施例に示すように、Da、DbをDallについて広義の単調増加とすることで、図17又は図18のように制御装置200−1又は200−2の故障の影響を回避するために2重化(冗長化)した制御装置200−1、200−2を有するシステム構成においても安定に制御動作をすることができる。なお制御の連続性の見地からは、Da、DbをDallについて狭義の単調増加(∂Da/∂Dall>0、∂Db/∂Dall>0)とすることが望ましいが、制御の安定性の見地からは、広義の単調増加とすることで十分である。つまり、広義の単調増加とは、n組のインバータ出力のデューティサイクルは、総合デューティサイクルによって微分可能であることである。狭義の単調増加とは、n組のインバータ出力のデューティサイクルの総合デューティサイクルについての第1次導関数が0以上である。
図10は、MOSFETのオン抵抗Ronが大きい場合の損失のグラフである。点線は本実施形態を用いない従来方式に対応し、一点鎖線は図3に示された制御方法に対応し、実線は図8に示された制御方法に対応する。
図3に示された制御方法では、Dall<50%の領域でDaが100%近傍でのオーミック損失(i^2Ron)が大きくなり従来方式よりも損失が増加していることがわかる。Dall>60%の領域では、図3、図8による方法では損失が従来よりも低減されていることがわかる。
図11及び図12は、MOSFETのオン抵抗Ronが小さい場合の損失のグラフである。図3に示された制御方法では、図11に示されるように、Dall<50%の領域でDaが100%近傍でのオーミック損失(i^2Ron)のが大きくなり従来方式よりも損失が増加していることがわかる。Dall>60%の領域では、図3、図8による方法では損失が従来よりも低減されているが、Dall=60%付近では、図8の損失の低減効果が劣ることがわかる。この領域では、単調増加性のために低損失特性が犠牲となっていることがわかる。図12に示されるように、図5による方法ではDall>60%の領域では、損失が低減されている。
図13は、第1インバータ100‐1と第2インバータ100‐2のそれぞれのデューティサイクルD1,D2の時間変化を示したものである。実線で示すように、デューティサイクルをステップ状に変化させることも可能であるが破線で示すように、デューティサイクルを徐々に変化させることで、制御誤差等に起因する制御段差の発生を防ぐことができる。
<実施の形態3>
図14及び図15は第1インバータ100‐1と第2インバータ100‐2のうちの一方が故障し、残り一方のみ(本実施形態では第1インバータ100‐1)でモータ2を駆動している実施例を示す波形図である。
スイッチング波形は正常時には、実線で示すようになだらかな傾斜を持たせて、電磁ノイズの発生を予防し、インバータ故障時には破線で示すように急峻にしてスイッチング損失を低減している。スイッチング波形の傾斜は、従来から出力段のMOSFETのゲート回路の静電容量と、駆動回路の駆動力からなる時定数により実現すればよい。すなわち、正常時には駆動回路の駆動力を弱めることでなだらかな傾斜を実現し、インバータ故障時には駆動回路の駆動力を強めることで、傾斜を急峻にすればよい。
なお駆動するデューティサイクルは、図14に示すようにDa,Dbとしてもよく、また図15に示すようにDallとしてもよい。さらにインバータ故障の直後はデューティサイクルを2Dall(但し上限は100%)として徐々に低減させてDallとしてもよい。この方法によれば、インバータ故障直後は残存したインバータで一時的に2倍の電流で駆動して、インバータ故障により合計トルクが半減することを防ぐことができる。
<実施の形態4>
図16は、本実施形態を実現する為の制御装置200の実施例を示すブロック図である。第1インバータ100‐1、第2インバータ100‐2の各相の電流Iu1、Iv1、Iw1、Iu2、Iv2、Iw2はそれぞれ3相2相変換部205、206でそれぞれのd軸、q軸電流Id1,Iq1,Id2,Id2に変換された後、合算されて、d軸、q軸電流Id,Iqとなる。d軸、q軸電流Id,Iqは電流指令値演算部201が算出した電流指令値Id*,Iq*から減算され、誤差信号δId,δIqとなり、制御器202により目標電圧Vd,Vqとなり、2相3相変換部203により各相の電圧目標値Vu、Vv、Vwとなり、Duty演算部204で各相の目標デューティサイクルDuall、Dvall、Dwallとなる。
続いて、Duty分配部205で図3、図5、図7、図8に従って、相毎に、第1インバータ100‐1と第2インバータ100‐2に分配されたデューティサイクルDu1、Dv1、Dw1、Du2、Dv2、Dw2に変換され、これに従ってPWMにより第1インバータ100‐1と第2インバータ100‐2が駆動される。
図17及び図18は制御装置を200‐1と200‐2に冗長化した実施例である。特に、図18は3相2相変換部205、206も205―1、205―2、206―1、206―2と冗長化した実施例で、電流値、トルク信号を変換するA/D変換器も208‐1、208‐2と冗長化している。
以上述べた本実施例によれば、制御装置200‐1及び200‐2が冗長化されているので、制御装置の故障により第1インバータ100‐1、第2インバータ100‐2の両方の動作が停止することがない。
<実施の形態5>
図19は、本実施形態に係る電動パワーステアリングシステムの構成図である。電動パワーステアリングシステムは、第1インバータ100‐1、第2インバータ100‐2を備え、さらにステアリングホィール11、ステアリングホィール11に取り付けられた回転軸16、回転軸16に取り付けられたトルクセンサ12、操舵機構17、マイクロプロセッサ100‐1および100‐2、モータ8を備える。相電流検出信号14、全電流検出信号15は、制御装置200に入力される。
操舵機構17は、回転軸16により操舵され車輪18の方向を制御する。操舵機構17または回転軸16はモータ2により操舵力を補助される。制御装置200の出力に基づいて、第1インバータ100‐1、第2インバータ100‐2が制御され、モータ2を駆動する。
従って本実施例による電動パワーステアリングシステムにおいては、第1インバータ100‐1、第2インバータ100‐2のデューティサイクルが最適化され、熱損失が低減される。
2…モータ、11…ステアリングホィール、12…トルクセンサ、14…相電流検出信号、15…全電流検出信号15、16…回転軸、17…操舵機構、18…車輪、100‐1…第1インバータ、100‐2…第2インバータ、200…制御装置、Da…デューティサイクル、Db…デューティサイクル、Dall…総合デューティサイクル

Claims (9)

  1. nを2以上の整数と定義し、n組の巻線をn組のインバータで駆動するモータ制御装置において、
    前記n組のインバータの出力が高出力時には、前記n組のインバータのうち少なくとも1つ以上のインバータの出力デューティサイクルを100%とし、
    前記n組のインバータは、前記出力デューティサイクルを100%としたインバータが一定周期で交代することを特徴とするモータ制御装置。
  2. 請求項1に記載のモータ制御装置であって、
    mを前記n以下の整数と定義し、前記n組のインバータ出力の総合デューティサイクルの目標値がm × 100/n %以上のときは、
    m個のインバータの出力デューティサイクルを100%とすることを特徴とするモータ制御装置。
  3. 請求項1記載のモータ制御装置であって、
    前記一定周期は、前記インバータの放熱器の熱時定数よりも小さいことを特徴とするモータ制御装置。
  4. nを2以上の整数と定義し、n組の巻線をn組のインバータで駆動するモータ制御装置において、
    前記n組のインバータの出力が高出力時には、前記n組のインバータのうち少なくとも1つ以上のインバータの出力デューティサイクルを100%とし、
    mを前記n以下の整数と定義し、前記n組のインバータ出力の総合デューティサイクルの目標値がm × 100/n %以上のときは、
    m個のインバータの出力デューティサイクルを100%とし、
    前記n組のインバータ出力のデューティサイクルは、前記総合デューティサイクルによって微分可能であることを特徴とするモータ制御装置。
  5. nを2以上の整数と定義し、n組の巻線をn組のインバータで駆動するモータ制御装置において、
    前記n組のインバータの出力が高出力時には、前記n組のインバータのうち少なくとも1つ以上のインバータの出力デューティサイクルを100%とし、
    mを前記n以下の整数と定義し、前記n組のインバータ出力の総合デューティサイクルの目標値がm × 100/n %以上のときは、
    m個のインバータの出力デューティサイクルを100%とし、
    前記n組のインバータ出力のデューティサイクルの前記総合デューティサイクルについての第1次導関数が0以上であることを特徴とするモータ制御装置。
  6. 請求項1ないし請求項5記載のいずれかのモータ制御装置であって、
    少なくとも2以上のインバータ出力のデューティサイクルが100 %未満のときには、該少なくとも2以上のインバータ出力のスイッチングタイミングに位相差を持たせることを特徴とするモータ制御装置
  7. nを2以上の整数と定義し、n組の巻線をn組のインバータで駆動するモータ制御装置において、
    前記n組のインバータの出力が高出力時には、前記n組のインバータのうち少なくとも1つ以上のインバータの出力デューティサイクルを100%とし、
    前記n組のインバータの全てが正常な場合には出力波形のスイッチング波形の傾きを緩やかにし、前記n組のインバータに故障が発生した場合には残存するインバータの該出力波形のスイッチング波形の傾きを急峻にするように制御するスロープ制御機能を有することを特徴とするモータ制御装置。
  8. 請求項1ないし請求項7に記載のいずれかのモータ制御装置であって、
    前記n組のインバータは、冗長化された制御装置により制御されることを特徴とするモータ制御装置。
  9. 請求項1ないし請求項8に記載のいずれかのモータ制御装置を有する電動パワーステアリングシステムであって、
    ステアリングホイールと、
    前記ステアリングホイールに取り付けられた回転軸と、
    前記回転軸に取り付けられたトルクセンサと、
    操舵機構と、
    モータを有し、
    前記操舵機構は前記回転軸により操舵され、
    前記操舵機構または前記回転軸は前記モータにより操舵力を補助され、
    前記モータ制御装置は前記モータを制御することを特徴とする電動パワーステアリングシステム。
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