JP6730488B2 - 三相同期電動機の制御装置および駆動装置、並びに電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、三相同期電動機の制御装置および駆動装置、並びに電動パワーステアリング装置に関する。

産業、家電、自動車等の様々な分野において、小型・高効率の三相同期電動機が幅広く用いられている。しかし、三相同期電動機では一般に、磁石を備えた回転子の回転位置をホールＩＣなどの磁気検出素子で検出し、その検出結果に基づき、固定子側の電機子コイルを順次励磁して回転子を回転させている。加えて、精密な回転位置検出器であるレゾルバやエンコーダ、ＧＭＲセンサなどを用いることで、正弦波電流での駆動を実現でき、トルクリプルなどの振動や騒音の低減を図っているものもある。

しかし、この回転位置検出器が故障すると、三相同期電動機はすぐに回転できなくなる。これは、回転位置検出器にレゾルバやエンコーダ、ＧＭＲセンサを用いた場合も同様である。このように、回転位置検出器の故障は、電動パワーステアリングなどの三相同期電動機の駆動装置において作動不良や異常運転の原因となるため、改善が求められてきた。

特許文献１に記載された発明は、この回転位置検出器の故障に際して回転位置検出器以外に、三相同期電動機の電圧と電流から位置を推定する回転位置推定手段を有している。この回転位置推定手段を回転位置検出器の出力の代替として使用することで、回転位置検出器の故障時にも三相同期電動機を安定して駆動することができる。

特開２０１０−２２１９６号公報

特許文献１のように、回転位置検出器の故障に際して回転位置検出器の代わりに回転位置推定手段を使用した場合、三相同期電動機の駆動は継続して行うことができる。しかし、実際の回転子の位置と推定の回転子の位置との間に差が発生し、三相同期電動機の出力が低下する。そこで、回転位置検出精度が高いレゾルバやエンコーダ，ＧＭＲセンサなどの回転位置検出器を２つにすることで、一方の回転位置検出器の故障に際してもう一方の回転位置検出器を使用することが考えられる。しかし、この方法だと２つの回転位置検出器のうちどちらが故障しているか判別できないため、回転位置検出器を３つ以上とする必要があり、回転位置検出器のコストの増大が課題となっていた。

本発明の目的は、回転位置検出器のコストを増大させることなく、三相同期電動機の回転位置検出器の信頼性を向上させる三相同期電動機の制御装置および駆動装置、並びに電動パワーステアリング装置を提供することにある。

本発明に係る三相同期電動機の制御装置は、三相同期電動機の回転子位置を検出する第１の回転位置検出器および第２の回転位置検出器からの信号に基づいて当該三相同期電動機を制御する制御装置であって、前記三相同期電動機の中性点電位、仮想中性点電位、磁気飽和起電圧、前記三相同期電動機の突極性のいずれかに基づいて回転子位置を演算する回転位置推定手段を備え、前記回転位置推定手段は、第１の回転位置推定手段と第２の回転位置推定手段を有し、前記第１の回転位置検出器の出力信号と前記第２の回転位置検出器の出力信号とが異なる場合に、前記第１の回転位置推定手段が演算した回転子位置に基づいて、前記第１の回転位置検出器の出力信号と前記第２の回転位置検出器の出力信号のいずれか一方を選択し、前記第１の回転位置検出器および前記第２の回転位置検出器が異常である場合、前記第１の回転位置推定手段の出力と前記第２の回転位置推定手段の出力が略一致している場合には、前記第１の回転位置推定手段の出力を用い、前記第１の回転位置推定手段の出力と前記第２の回転位置推定手段の出力が異なる場合には、前記第２の回転位置推定手段の出力を用いて、前記三相同期電動機を制御することを特徴とする。

本発明に係る三相同期電動機の駆動装置は、本発明に係る三相同期電動機の制御装置と、前記制御装置によって制御される三相同期電動機と、を備える。

本発明に係る電動パワーステアリング装置は、本発明に係る三相同期電動機の制御装置と、前記制御装置によって制御される三相同期電動機と、前記三相同期電動機の出力トルクによってタイヤを転舵することができるステアリング機構と、を備える。

本発明の望ましい実施の形態に係る三相同期電動機の制御装置および駆動装置、並びに電動パワーステアリング装置によれば、２つの回転位置検出器のうちいずれが故障しているかを回転位置推定手段により判定する。そうすることで、２つのうち１つの回転位置検出器の故障により、三相同期電動機の出力を低下させることなく動作できる。

本発明のその他の目的と特徴は、以下に述べる実施例で明らかにする。

第１の実施の形態に係る三相同期電動機の駆動装置の構成図である。 検出位置判定手段１の処理である。 中性点電位に基づく位置推定手段２を示したブロック図である。 電流検出にシャント電流検出部３６を用いた三相同期電動機の駆動装置の構成図である。 第２の実施の形態に係る電動パワーステアリング装置の構成図である。 第２の実施の形態に関わる三相同期電動機の駆動装置の構成を示すブロック図である。 検出位置選択手段９の処理である。

以下、図面を参照して、本発明に係る電力変換装置の実施の形態について説明する。なお、各図において同一要素については同一の符号を記し、重複する説明は省略する。

（第１の実施形態）
図１から図４を用いて、本発明に関わる三相同期電動機の駆動装置における第１の実施の形態について説明する。

図１は、三相同期電動機の駆動装置６の構成である。三相同期電動機の駆動装置６は、三相同期電動機４の駆動を目的とするものである。本実施形態に係る三相同期電動機の駆動装置６は、検出位置判定手段１、回転位置推定手段２、電力変換器３および駆動対象である三相同期電動機４、制御部５を含んで構成される。

本実施形態に係る駆動装置の特徴は、第１の回転位置検出器４１と第２の回転位置検出器４２の故障（異常）を回転位置推定手段２によって判定し、正しく出力している回転位置検出器を使用して三相同期電動機４を駆動することである。

図１に示されるように、検出位置判定手段１は、第１の回転位置検出器４１の出力θ１、第２の回転位置検出器４２の出力θ２および回転位置推定手段２の出力θ３が入力される。そして、検出位置判定手段１は、回転位置θを出力する。

図２は、検出位置判定手段１の処理フローを示す図である。検出位置判定手段１では、最初に２つある回転位置検出器の出力であるθ１とθ２が略一致しているかを判定する。出力が略一致した場合、θ１を用いる。なお、本実施形態ではθ１を用いているが、θ２を用いる構成としてもよい。

θ１とθ２が異なる場合、回転位置検出器４１または回転位置検出器４２のいずれか一方が故障していると判断することができる。しかし、回転位置検出器４１または回転位置検出器４２のうちいずれの回転位置検出器が故障しているかを判定することはできない。

そこで、回転位置推定手段２の出力θ３を使用し、どちらが正しい出力をしているか判定する。まず、θ１とθ３が略一致しているかを判定する。出力が略一致した場合、θ１を正常な回転位置検出器による出力であると判断し、θ１を用いる。一方、θ１とθ３の出力が異なる場合、θ２とθ３が略一致しているかを判定する。出力が略一致した場合、θ２を正常な回転位置検出器による出力であると判断し、θ２を用いる。そして、θ２とθ３が異なる場合は、θ３を用いる。

比較対象のθ１、θ２およびθ３は、回転位置検出器の検出タイミングを補正することで、３つの位置を補正し同一時間での比較を行う。このようにすることで、適切に同じタイミングでの回転位置を検出することができるため、回転位置を比較するときに回転位置検出器の故障の誤検知を防止できる。

検出位置判定手段１を図２のような構成とすることで、第１の回転位置検出器４１もしくは第２の回転位置検出器４２が故障した場合であっても、正常な回転位置検出器を選択し、正常時と同様の三相同期電動機のトルクを出力することができる。さらに、第１の回転位置検出器４１および第２の回転位置検出器４２が共に故障した場合であっても、回転位置推定手段２を使用することで、三相同期電動機の駆動を維持することが可能となり、冗長性を確保することができる。

図３は、回転位置推定手段２の構成である。回転位置推定手段２は、仮想中性点Ｖｎから回転位置推定値θ３を推定する。この際の、検出された仮想中性点Ｖｎから回転位置推定値θ３を推定する手法については公知の技術があるが、そのうちの１つを紹介する。回転位置推定手段２は、中性点電位検出部２１、サンプル／ホールド部２２および回転位置推定部２３から構成される。

中性点電位検出部２１は、パルス幅変調信号出力手段３３の出力のパルス幅変調信号に応じて仮想中性点電位Ｖｎ０を検出する。この際の、三相同期電動機４から仮想中性点電位Ｖｎ０を検出する手法については公知の技術があり、また本発明の主要な部分ではないので省略する。

サンプル／ホールド部２２は、中性点電位検出部２１のアナログ信号出力を標本化量子化（サンプリング）するためのＡ−Ｄ変換器である。サンプル／ホールド部２２は、このＶｎ０をパルス幅変調信号出力手段３３の出力のパルス幅変調信号に同期してサンプリングする。サンプル／ホールド部２２は、このサンプリングされた結果（Ｖｎ０ｈ）を回転位置推定部２３に対してデジタル信号として出力する。

回転位置推定部２３は、サンプル／ホールド部２２によってサンプリングされた中性点電位に基づき、三相同期電動機４の回転位置の推定値θ３を演算する。この推定結果は、回転位置推定手段２の出力θ３として出力される。

回転位置推定手段２の特徴は、三相同期電動機の回転速度が０のときにトルクを出せることである。回転位置推定手段２として、本実施の形態では仮想中性点Ｖｎにより回転位置推定値θ３を推定する手段を紹介したが、磁気飽和起電圧に基づく方法、三相同期電動機４の突極性の差を利用する方法が知られており、このうちのいずれかの方法を用いてもよい。また、仮想中性点の代わりに三相巻線接続点（中性点）を直接引き出して検出してもよい。三相同期電動機４が停止状態でも、回転位置推定手段２は回転位置を検出できトルクを出力できる。

また、回転位置推定手段２の出力θ３と、θ１とθ２と比較することで、第１の回転位置検出器４１および第２の回転位置検出器４２の異常を検出する。これにより、正常な回転位置推定手段２の出力θ３を用い、停止状態から三相同期電動機４を始動できる。

図１に戻って説明する。制御部５は、検出位置判定手段１の出力θからパルス幅変調信号を生成する。電力変換器３は、制御部５の出力のパルス幅変調信号に基づいて、三相同期電動機４に電圧を与える。電力変換器３は直流電源３１、電力変換回路３２、パルス幅変調信号出力手段３３、仮想中性点電位検出回路３４、三相電流検出器３５およびシャント電流検出器３６から構成される。

直流電源３１は、電力変換回路３２に電流を供給する直流電源である。電力変換回路３２は、６個のスイッチング素子Ｓｕｐ〜Ｓｗｎで構成される電力変換回路である。パルス幅変調信号出力手段３３は制御部２の出力のパルス幅変調信号を電力変換器３２に入力するドライバである。中性点電位検出部３４は、回転位置推定手段に使用する仮想中性点Ｖｎを検出する。仮想中性点Ｖｎの代わりに、三相同期電動機４の中性点電位を直接検出してもよい。三相電流検出器３５は、三相同期電動機４を流れる三相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出する電流検出器である。三相同期電動機４の電流検出は、電流検出器３５のように電力変換回路３２から三相同期電動機４に供給される三相の電流を直接検出することが望ましいが、図４のようにシャント抵抗３６を流れる直流電流Ｉｄｃを検出し三相電流を再現した電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを用いてもよい。直流電流Ｉｄｃから三相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを再現する方法に関しては公知の技術があり、また本発明の主要な部分ではないので省略する。

上述した本実施形態に係る三相同期電動機の駆動装置によれば、２つの回転位置検出器のうちいずれが故障しているかを回転位置推定手段により判定する。そうすることで、２つのうち１つの回転位置検出器が故障しても、三相同期電動機の出力を低下させることなく動作を継続させることができる。本実施形態に示した様な回転位置推定手段は、回転位置検出器のようなハードを追加することなく実現することができるため、回転位置検出器のコストを増大させることなく、三相同期電動機の回転位置検出器の信頼性を向上させることができる。

（第２の実施の形態）
図５から図７を用いて、本発明に関わる電動パワーステアリングに係る第２の実施の形態について説明する。

図５は、電動パワーステアリング装置８の構成である。運転者がステアリングホイール８１を操作すると、ステアリングホイール８１の回転トルクをトルクセンサ８２が検知する。トルクセンサ８２が検知したトルクは駆動装置６に入力され、当該トルクに応じた指令に基づいて三相同期電動機４がトルクを出力する。三相同期電動機４の出力トルクは、ステアリングアシスト機構８３を介して操舵力をアシストし、ステアリング機構８４へ出力される。そして、ステアリング機構８４により、タイヤ８５を転舵する。

図６は、本実施形態に係る三相同期電動機の駆動装置６の構成である。本実施形態では、回転位置推定手段として、第１の回転位置推定手段２と第２の回転位置推定手段２を有する。第１の実施形態とは、第２の回転位置推定手段７を備える点で相違する。

第１の回転位置推定手段２および第２の回転位置推定手段７には、第１の実施の形態で紹介した仮想中性点Ｖｎに基づく方法、磁気飽和起電圧に基づく方法、三相同期電動機４の突極性を用いる方法のいずれか２つを使用してよい。これら３つの回転位置推定手段の特徴は、三相同期電動機の回転速度が０のときにも三相同期電動機の駆動制御が可能であり、トルクを出力できることである。このような回転位置推定手段を備えた電動パワーステアリング装置では、三相同期電動機の回転速度が０でもトルクを出力できるため、例えば車両のタイヤが段差に乗り上げたような場合などでも、ドライバのハンドルをアシスト駆動できる。

上記の特徴より、三相同期電動機４が停止状態でも、第１の回転位置推定手段２は回転位置を推定できるため、θ３と、θ１およびθ２とを比較することで、第１の回転位置検出器４１および第２の回転位置検出器４２の異常を検出できる。また、自動車の速度が所定の速度以下で三相同期電動機４が停止状態においても、第１の回転位置推定手段２は回転位置を推定できるため、θ３と、θ１およびθ２とを比較することで、第１の回転位置検出器４１および第２の回転位置検出器４２の異常を検出できる。

三相同期電動機４の回転速度が０で、自動車が所定の速度以下の場合も、第１の回転位置推定手段２の出力θ３と、θ１とθ２と比較することで、第１の回転位置検出器４１および第２の回転位置検出器４２の異常を検出することで、正常な第１の回転位置推定手段２の出力θ３を用い、三相同期電動機４を継続駆動でき、操舵力をアシストできる。

図７は、第２の実施の形態の特徴である検出位置選択手段９の処理である。検出位置選択手段９は第１の回転位置検出器４１、第２の回転位置検出器４２、第１の回転位置推定手段２および第２の回転位置推定手段７の出力であるθ１からθ４が入力され、回転位置推定値θを出力する。検出位置選択手段９では、まず２つある回転位置検出器の出力であるθ１とθ２が略一致しているかを判定する。出力が略一致した場合、θ１を用いる。しかし、θ１とθ２が異なる場合、どちらの回転位置検出器が故障しているか判定できない。そこで、回転位置推定手段２の出力θ３を使用し、どちらが正しい出力をしているか判定する。次に、θ１とθ３が略一致しているかを判定し、出力が略一致した場合、θ１を用いる。θ１とθ３の出力が異なる場合、θ２とθ３が略一致しているかを判定する。出力が略一致した場合、θ２を用いる。そして、θ２とθ３が異なる場合は、θ３とθ４が略一致しているかを判定する。出力が略一致した場合、θ３を用いる。θ３とθ４の出力が異なる場合、θ４を用いる。

検出位置選択手段９を図７のような構成とすることで、第１の回転位置検出器４１もしくは第２の回転位置検出器４２のいずれか一方が故障した場合であっても、正常な方の回転位置検出器を使用することができる。これにより、電動パワーステアリングにおいて通常と変わらず操舵力をアシストできる。

第１の回転位置検出器４１もしくは第２の回転位置検出器４２が共に故障した場合は、第１の回転位置推定手段２を使用することで、操舵力をアシストできる。加えて、第１の回転位置推定手段２の出力が異常の場合も、第２の回転位置推定手段７を用いることができるため、四重の冗長系を低コストで提供できる。

第１の回転位置検出器４１の出力θ１と第２の回転位置検出器４１の出力θ２が共に異常となり故障している場合、検出位置選択手段９では、第１の回転位置推定手段２および第２の回転位置推定手段７の出力であるθ３およびθ４を使用する。このとき、故障であることをドライバへ知らせ、三相同期電動機の出力を漸減させる。このようにすることで、電動パワーステアリングシステムが故障した場合でも、ドライバ自身で安全に自動車を停止させることができる。

比較対象のθ１、θ２、θ３およびθ４は、回転位置検出器の検出タイミングを補正することで、３つの位置を補正し同一時間での比較を行う。このようにすることで、適切に同じタイミングでの回転位置を検出することができるため、回転位置を比較するときに誤検知を防止できる。

１：検出位置判定手段
２：回転位置推定手段（第１の回転位置推定手段）
２１：中性点電位検出部
２２：サンプル／ホールド部
２３：回転位置推定部
３：電力変換器
３１：直流電源
３２：電力変換回路
３３：パルス幅変調信号出力手段
３４：仮想中性点電位検出回路
３５：三相電流検出器
３６：シャント電流検出器
４：三相同期電動機
４１：第１の回転位置検出器
４２：第２の回転位置検出器
５：制御部
６：三相同期電動機の駆動装置
７：第２の回転位置推定手段
８：電動パワーステアリング装置
８１：ステアリングホイール
８２：トルクセンサ
８３：ステアリングアシスト機構
８４：ステアリング機構
８５：タイヤ
９：検出位置選択手段

Claims (5)

1. 三相同期電動機の回転子位置を検出する第１の回転位置検出器および第２の回転位置検出器からの信号に基づいて当該三相同期電動機を制御する制御装置であって、
   前記三相同期電動機の中性点電位、仮想中性点電位、磁気飽和起電圧、前記三相同期電動機の突極性のいずれかに基づいて回転子位置を演算する回転位置推定手段を備え、
   前記回転位置推定手段は、第１の回転位置推定手段と第２の回転位置推定手段を有し、
   前記第１の回転位置検出器の出力信号と前記第２の回転位置検出器の出力信号とが異なる場合に、前記第１の回転位置推定手段が演算した回転子位置に基づいて、前記第１の回転位置検出器の出力信号と前記第２の回転位置検出器の出力信号のいずれか一方を選択し、
   前記第１の回転位置検出器および前記第２の回転位置検出器が異常である場合、
   前記第１の回転位置推定手段の出力と前記第２の回転位置推定手段の出力が略一致している場合には、前記第１の回転位置推定手段の出力を用い、
   前記第１の回転位置推定手段の出力と前記第２の回転位置推定手段の出力が異なる場合には、前記第２の回転位置推定手段の出力を用いて、
   前記三相同期電動機を制御することを特徴とする三相同期電動機の制御装置。
2. 請求項１に記載された三相同期電動機の制御装置であって、
   前記第１の回転位置検出器の出力信号と前記第２の回転位置検出器の出力信号とが略一致する場合は、前記第１の回転位置検出器の出力信号に基づいて前記三相同期電動機を制御することを特徴とする三相同期電動機の制御装置。
3. 請求項１または２に記載された三相同期電動機の制御装置であって、
   前記第１の回転位置検出器または前記第２の回転位置検出器のいずれか一方の異常を検出した場合に、前記第１の回転位置検出器および前記第２の回転位置検出器のいずれも正常である場合と同様のトルクを出力するように、前記三相同期電動機を制御することを特徴とする三相同期電動機の制御装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載された三相同期電動機の制御装置と、
   前記制御装置によって制御される三相同期電動機と、を備えた駆動装置。
5. 請求項１乃至３のいずれかに記載された三相同期電動機の制御装置と、
   前記制御装置によって制御される三相同期電動機と、
   前記三相同期電動機の出力トルクによってタイヤを転舵することができるステアリング機構と、を備えた電動パワーステアリング装置。

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