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発明の名称 モータ制御装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−110897(P2007−110897A)
公開日 平成19年4月26日(2007.4.26)
出願番号 特願2007−2437(P2007−2437)
出願日 平成19年1月10日(2007.1.10)
代理人 【識別番号】100073759
【弁理士】
【氏名又は名称】大岩 増雄
発明者 喜福 隆之 / 大前 勝彦
要約 課題
例えば車両の電動パワーステアリング制御に使用されるモータの制御装置は、その動作を監視して、異常が検知されたら遅滞なく制御を停止するなどの処置をしなければならない。しかし、従来の監視装置は検地に時間が掛かるとか、出力が出なくなる異常に対しては検知できないなどの課題があった。

解決手段
モータ2を駆動していない瞬間にもインバータ52が出力波形を出力している略一定の動作周期を持つ三相インバータ回路52を用いる。この出力波形の周期を監視するインバータ周期監視回路555を設ける。この周期が前記インバータの搬送波周期に比して、過大、または過小となつたとき、警報を出力すると共にインバータの制御を停止する。
特許請求の範囲
【請求項1】
車両の電圧Hを有する直流電源に接続され、略一定の搬送波周期で所定の範囲の出力デューティ比に制御されたPWM動作を行うことにより、1周期の間に全ての出力相の電圧が同時に0または同時にHとなる期間が存在する3相以上の多相のインバータ、
前記インバータの出力電圧波形の周期を監視して、前記周期が前記搬送波周期に対して所定の倍率以上または所定倍率以下となったとき、上記インバータの故障と判断して信号を出力するインバータ周期監視回路を備え、
前記インバータ周期監視回路は前記多相の全ての出力が前記Hとなる状態が繰り返される周期を監視することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項2】
車両の電圧Hを有する直流電源に接続され、略一定の搬送波周期で所定の範囲の出力デューティ比に制御されたPWM動作を行うことにより、1周期の間に全ての出力相の電圧が同時に0または同時にHとなる期間が存在する3相以上の多相のインバータ、
前記インバータの出力電圧波形の周期を監視して、前記周期が前記搬送波周期に対して所定の倍率以上または所定倍率以下となったとき、上記インバータの故障と判断して信号を出力するインバータ周期監視回路を備え、
前記インバータ周期監視回路は前記多相の全ての出力が前記0となる状態が繰り返される周期を監視することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項3】
前記インバータは前記PWMの搬送波周期を生成するクロックを有し、前記インバータ周期監視回路は、前記インバータの周期を前記クロックを基準に計測することを特徴とする請求項1または2に記載のモータ制御装置。
【請求項4】
前記インバータは前記PWMの搬送波周期を生成するクロックを有し、前記インバータ周期監視回路は、前記インバータの周期を前記クロックの周期とは異なる周期を持った別のクロックを基準に計測することを特徴とする請求項1または2に記載のモータ制御装置。
【請求項5】
前記インバータ周期監視回路は、前記インバータの複数の交流出力端子のそれぞれに一端が接続された複数のコンデンサ、前記複数のコンデンサの他端に接続され前記交流端子全ての電圧が前記Hであるとき信号を出力する論理積回路、前記論理積回路の出力の周期を測定する周期測定回路を含むことを特徴とする請求項1に記載のモータ制御装置。
【請求項6】
前記インバータ周期監視回路は、前記インバータの複数の交流出力端子のそれぞれに一端が接続された複数のコンデンサ、前記複数のコンデンサの他端に接続され前記交流端子全ての電圧が0であるとき信号を出力する論理積回路、前記論理積回路の出力の周期を測定する周期測定回路を含むことを特徴とする請求項2に記載のモータ制御装置。
【請求項7】
前記インバータ周期監視回路は、前記インバータの複数の交流出力端子のそれぞれに一端が接続された複数の抵抗器、前記複数の抵抗器の他端に接続され前記交流端子全ての電圧が前記Hであるとき信号を出力する論理積回路、前記論理積回路の出力の周期を測定する周期測定回路を含むことを特徴とする請求項1に記載のモータ制御装置。
【請求項8】
前記インバータ周期監視回路は、前記インバータの複数の交流出力端子のそれぞれに一端が接続された複数の抵抗器、前記複数の抵抗器の他端に接続され前記交流端子全ての電圧が0であるとき信号を出力する論理積回路、前記論理積回路の出力の周期を測定する周期測定回路を含むことを特徴とする請求項2に記載のモータ制御装置。
【請求項9】
前記インバータ周期監視回路は、前記インバータに制御信号を供給すると共に前記インバータの周期を自身のクロック信号の周期を基準に計測する第1のマイクロコントローラと、
前記インバータの周期を自身のクロック信号の周期を基準に計測する第2のマイクロコントローラとを含むことを特徴とする請求項1または2に記載のモータ制御装置。
【請求項10】
前記第1または第2のマイクロコントローラの少なくとも一方が前記インバータの出力電圧の周期が異常であると判定したとき、前記第1のマイクロコントローラは前記インバータの制御を停止するように構成したことを特徴とする請求項9に記載のモータ制御装置。
【請求項11】
前記直流電源と前記インバータとの間に接続され、前記第1または第2のマイクロコントローラの少なくとも一方が前記インバータの出力電圧の周期が異常であると判定したとき、前記インバータへの給電を停止するスイッチ手段を備えたことを特徴とする請求項9に記載のモータ制御装置。
【請求項12】
前記デューティ比は5%以上、95%以下であることを特徴とする請求項1または2に記載のモータ制御装置。
【請求項13】
前記周期の所定の倍率は、前記インバータの搬送波周期の0.5倍以上2倍以下であることを特徴とする請求項1または2に記載のモータ制御装置。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
この発明はモータの制御装置に関し、特に車両のハンドルを補助駆動するためのモータの制御装置に関する。
【背景技術】
【0002】
以下の説明では、車両のステアリング装置に補助力を加える電動操舵装置を例として説明するが、本発明は操舵装置に限定されるものではなく、直流電源からインバータによって電動機を駆動する制御装置一般に適用することができる。
車両の電動パワーステアリング装置では、運転中にモータの制御装置(一般的にインバータが使用される)に異常が発生すると直ちに危険な状況に至ることが予測されるので、異常をできる限り早く、例えばインバータの1サイクル内に検出することが好ましい。
例えば、特許文献1の第1図と第3図(b)には、インバータで駆動されるモータの端子電圧を監視して、また、第1図と第3図(a)にはモータを駆動するスイッチング素子の駆動信号を監視して、それらがモータを駆動している状態を所定時間以上継続すると、異常と判断してモータ駆動回路への給電を遮断するモータ制御装置が示されている。
【0003】
特許文献1のものでは、駆動回路が出力しているときの出力状態を監視するので、出力していない状態は異常と判定されない。しかし、駆動回路が出力できない故障は故障のモードとしては比較的起こりやすいものであるから、これでは種々の故障を的確に捉えるものとは言えず、実際の役に立たないと言う課題があった。また、実際の運転中には駆動回路が相当の時間、継続して出力を出し続けるという場合も、例えば円形のテストコースを高速で走行する結果ハンドルに常時戻しトルクが生じるような場合などにあり、このような場合に誤動作しないようにするには、異常と判断する時間をある程度長くしておかなければならず、結果として異常の判定に長い時間が掛かってしまうという課題があった。
また、特許文献1に開示されたものは駆動回路が単相インバータである場合についてのみ開示されており、3相、あるいは多相インバータでも同様に有効であるとは言えないという課題があった。
【特許文献1】特許第2501030号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
従来のモータ制御装置は以上のように構成されているので、駆動装置からモータに出力が出ない形での故障の場合や、モータ内部またはモータへの配線の地絡、又は、短絡故障でモータ駆動回路の出力電圧がLレベルに固着する場合には異常検知ができないという課
題があった。また、駆動回路が三相インバータである場合の対応方法は示されていないと言う課題があった。また、異常の判定に長時間掛かるという課題があった。
【0005】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、駆動回路がほぼ一定周期で動作する3相インバータの場合であって、駆動装置からモータに出力が出ない形での故障の場合や、モータ内部またはモータへの配線の地絡、又は、短絡故障でモータ駆動回路の出力電圧がLレベルに固着する場合にも異常を検知できる監視回路を備えたモータ
の制御装置を得ることを目的とする。
また、異常の判定が例えばインバータの1周期程度の短い時間で可能となるモータ制御装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
この発明に係るモータ制御装置は、車両の電圧Hを有する直流電源に接続され、略一定の搬送波周期で所定の範囲の出力デューティ比に制御されたPWM動作を行うことにより、1周期の間に全ての出力相の電圧が同時に0または同時にHとなる期間が存在する3相以上の多相のインバータ、
前記インバータの出力電圧波形の周期を監視して、前記周期が前記搬送波周期に対して所定の倍率以上または所定倍率以下となったとき、上記インバータの故障と判断して信号を出力するインバータ周期監視回路を備え、
前記インバータ周期監視回路は前記多相の全ての出力が前記Hとなる状態が繰り返される周期を監視するものである。
【発明の効果】
【0007】
この発明によれば、簡単な回路構成で、PWM搬送波周期と同程度の時間内に三相インバータの異常やマイクロコントローラの異常を検出することができ、車両の安全性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0008】
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1のモータ制御装置のブロック図である。モータ2は図示
しない車両のステアリング装置に取り付けられ、この車両のバッテリ4から給電されるモータ制御装置(以下、コントローラと言う場合もある)1の出力端子に接続されている。モータ2はDCブラシレスモータである。また、モータ2の磁極の角度位置に応じた相を励磁するべくモータ2の回転子角度を検出する回転子角度センサ3から信号を受ける。ここで回転子角度センサ3は信号の供給源の例として示すものでありこれに限るものではない。
コントローラ1は外部からの信号を受けるインタフェース51と、インターフェース51の出力に基づいて制御を行う第1のマイクロコントローラ56と、第1のマイクロコントローラ56により制御されるゲート駆動回路53と、ゲート駆動回路53により制御されモータ2を駆動する三相インバータ回路52と、三相インバータ52へのバッテリ4からの給電を遮断するためのリレー等のスイッチ手段54と、三相インバータ52の出力電圧をピックアップして周期を計測可能な波形として第1のマイクロコントローラ56に入力する出力電圧監視回路55と、第1のマイクロコントローラ56を含めた電動パワーステアリング装置の動作を監視/検証するための第2のマイクロコントローラ57とを有している。ここでは例として三相インバータで説明するが、3相以上の多相のインバータであれば同じである。
第1、第2のマイクロコントローラ56、57は上述の各制御に加えて、ともに、インバータ周期監視回路55の出力した波形の周期を自身のクロック信号周期に基づいて計測する。出力電圧監視回路55と上述の第1、第2のマイクロコントローラ56、57の図示しない上述の周期計測回路と、異常が発見されたときその後の警報出力などの処理を行う部分とを含めてこの発明に言うインバータ周期監視回路555という。説明の都合上、バッテリ4の電圧はHボルトであるとする。
【0009】
三相インバータ回路52はこの車両の図示しないエンジンキーがオンとなっている間は、ハンドルを回転させつつあるか否かに関係なく、またモータ2がトルクを出しているか否かに関わりなく常時電圧波形を出力している。
出力電圧監視回路55は三相インバータ回路52の出力端子V1、V2、V3に接続されたコンデンサC1、C2、C3と、このコンデンサに接続されたバッファB1、B2、B3と、バッファB1、B2、B3の出力を受けるANDゲート55Aを有している。
ANDゲート55Aの出力は第1、第2のマイクロコントローラ56、57に入力される。
次に図1のモータ制御装置の動作について説明する。第1のマイクロコントローラ56は、回転子角度センサ3による回転子角度信号に基づきゲート駆動回路53に信号を出力して、バッテリ4から供給される直流電圧を三相インバータ回路52により三相交流電圧に変換しモータ2に供給する制御を行っている。
三相インバータ回路52のインバータ駆動方式は、いわゆる三角波比較のPWMで各アームを構成する上下のスイッチング素子を相互に駆動するものである。各アームを駆動するデューティ比は0%近くの値にはならないよう、また、100%近くの値にはならないように所定範囲に制限されている(例えば5%以上95%以下に制御される)ので、結果として出力の値にかかわらず、1周期の間に各相電圧がすべてLまたはすべてHとなる期間が存在する。出力電圧監視回路55のANDゲート55Aは各相電圧がすべてHとなると出力端子VOにH(バッテリの電圧)を、それ以外ではL(ここでは0ボルト)を出力する。
【0010】
図2は図1の出力電圧監視回路55の動作を説明するための三相インバータ回路52の出力波形図である。三相インバータ52の出力相電圧V1、V2、V3がHとなる期間で
出力電圧監視回路55の出力電圧VOがHとなっている。VOの周期(例えばVOの立ち
上がりエッジ間の時間)Tが三相インバータ回路52のPWM搬送波周期(tとする)であり、前述の通りここではほぼ一定値である。第1のマイクロコントローラ56は、出力電圧監視回路55の出力の周期Tを図示しない内蔵のタイマ56Xで計測し、Tが所定範囲内であれば正常と判断する。ここで言う所定範囲とは三相インバータ回路52の搬送波周波数の周期tに対して、例えばその0.5倍〜2倍の範囲であればよい。
一方、モータ2への配線の途中などで出力地絡等の故障が発生、例えば図3に示すV2
ラインに地絡が生じると、VOはLレベル一定となり、Tは上記所定範囲から外れ(図3
の場合はVOに信号が出力されない)、第1のマイクロコントローラ56は異常と判断す
る。
三相インバータ52の各出力端子は、出力電圧監視回路55とコンデンサC1、C2、C3を介して交流結合されており、各相電圧がHで固着してもLで固着しても上記バッファB1又はB2又はB3への入力電圧はLレベルとなり、異常を検出することができる。
【0011】
出力電圧監視回路55が異常と判定すると、第1のマイクロコントローラ56はスイッ
チ手段54を開き、また、ゲート駆動回路53を介して三相インバータ回路52に出力遮断を指示する(あるいはゲート駆動回路53への制御信号の出力を停止する)。また図示しない警報により運転者に異常を通知する。これにより、三相インバータ回路52から何も出力が出ない種類の故障の場合にも異常の発生を知らずに運転を続けてしまうという危険を回避することができる。
【0012】
一方、第2のマイクロコントローラ57も、同様に出力電圧監視回路55の信号VOを受ける。この信号の周期を前述と同様に内部クロックの周期に基づいて計測し、予め定めた前述の倍率と比較して故障と判定すると、第1のマイクロコントローラ56と同様にスイッチ手段54を開き、三相インバータ52への電源供給を遮断し出力を禁止する。スイッチ手段54は第1のマイクロコントローラ56の指示と第2のマイクロコントローラ57の指示の論理積でON駆動されるように構成されているので(即ち両者が共にONを指示しているときだけONする)、第1のマイクロコントローラ56がスイッチ手段54をオン指示していても、第2のマイクロコントローラ57がオフできる(この逆も同じ)。これにより、第1のマイクロコントローラ56の暴走によるモータ2への異常な通電をも防止することができる。
【0013】
なお、三相インバータ回路52への給電を遮断する代りに、ゲート駆動回路53の電源を遮断する構成としても類似の効果を得ることができる。三相インバータ回路52の素子が短絡する故障の場合にはゲート駆動回路53の電源遮断後も出力が出続けるので、その故障自体は別の検出手段によって検出することが必要となるものの、スイッチ手段54として、より電流容量の小さい例えば半導体スイッチング素子を用いることができる。
【0014】
さらにまた、三相インバータ52の出力電圧を監視する代りに、ゲート駆動回路52の出力や、第1のマイクロコントローラ56の出力ポートを監視する構成としても類似の効
果を得ることができる。ゲート駆動回路53の出力や、第1のマイクロコントローラ56
の出力ポートに異常がなくてもインバータ出力に異常が生じる故障(例えば素子故障)では検出が困難となるものの、電力部を直接監視するよりも、よりノイズの少ない信号を監視することができ動作が安定する。
【0015】
図1の説明では出力電圧監視回路55の周期Tを第1のマイクロコントローラ56の内部時計により監視する。しかし、例えば第1のマイクロコントローラが暴走した場合等に
は、PWM周期tが短くなるが内部時計も同様に狂い、第1のマイクロコントローラ56は異常を検出しない恐れがある。しかし、この場合でも第2のマイクロコントローラ57は異常を検知するので、システム全体としては異常を検知することができる。このようにPWM周期をPWMの周期を生成しているクロックそのものを基準に計測することと、PWM周期をPWMの周期を生成しているクロックとは異なる別のクロックを基準に計測することの2通りにすることでシステムの信頼性が高められている。
なお、車両の起動時(エンジンキーをオンした直後)には、三相インバータ回路52が安定動作に入るまでの間に異常を検知してしまうことがないように、第1、第2のマイクロコントローラ56、57の監視シーケンスに待ち時間を設けるなどの配慮は、当然行われている。
【0016】
実施の形態2.
図4は、この発明の実施の形態2のモータ制御装置のブロック図である。図1と同符号
のものは同一又は相当部分を示すので詳細な説明を省略する。出力電圧監視回路550は三相インバータ回路52の出力端子V1、V2、V3に接続された同じ値の抵抗器(いずれもRという)と、任意のバイアスを加える抵抗器R2と、これらの抵抗器に接続された第1、第2の比較器CP1、CP2と、比較器CP1、CP2の出力を受けるフリップフロップFFを含んでいる。
実施の形態1の図1の出力電圧監視回路55と比べると、図4の出力電圧監視回路550は3つの抵抗器Rによってモータ2の給電線に直流結合している。
【0017】
出力電圧監視回路550は、各相電圧を加算した電圧をコンパレータCP1、CP2で監視する。即ち、各相電圧をV1、V2、V3、コンパレータCP1、CP2への入力電圧をV4とし、
CCは所定の定電圧で例えば電源電圧。
{R1と(1/3)・Rとを並列接続した抵抗値}をZとして
R’=Z/{R2+Z} ・・・(1)
{R1とR2と(1/2)・Rとを並列接続した抵抗値}をYとして
R’’={Y}/{R+Y} ・・・(2)
とおけば、
V4=R’VCC+R’’(V1+V2+V3) ・・・(3)
となる。
【0018】
上記V4はコンパレータで予め設定されたVTH1、VTH2の電圧と比較され、波形整形された後、一つのコンパレータの出力はフリップフロップFFのセット端子Sに入力され、もう一つのコンパレータの出力はフリップフロップFFのリセット端子Rに入力される。VTH1、VTH2の電圧は図5、図6に示すようにV1、V2、V3を加算したV4の波形のピークを切り取るのに適当なレベルである。いうまでもなくこのレベルはバッテリ4の電圧に依存するので予め決定することができる。
正常な場合には、図5のQに示すように、PWM搬送波周期TでフリップフロップFFから立ち上がりエッジが得られ、上記実施の形態1と同様に周期が所定の範囲を逸脱するか否かにより故障判定することができる。一方、三相インバータ回路52の出力側での地絡等の異常時には、図6に示す通り、VOはVTH1、VTH2いずれかのしきい値を超えなくなり、フリップフロップの出力は反転しないので異常を検出することができる。
【産業上の利用可能性】
【0019】
以上の説明では、車両のハンドルの回転を補助するモータを例として説明したが、本発明のモータ制御装置はほぼ一定周期のインバータにより駆動するモータ制御装置で、各アームを駆動するデューティ比は0%近くの値にはならないよう、また、100%近くの値にもならないように所定範囲に制限されていて、結果として出力の値にかかわらず、1周期の間に各相電圧がすべてLまたはすべてHとなる期間が存在するものであれば、車両に取り付けられるものに限らず全て使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】この発明の実施の形態1によるモータ制御装置のブロック図である。
【図2】図1のモータ制御装置の正常時の各部波形を示す図である。
【図3】図1のモータ制御装置の異常時の各部波形を示す図である。
【図4】この発明の実施の形態2によるモータ制御装置のブロック図である。
【図5】図4のモータ制御装置の正常時の各部波形を示す図である。
【図6】図4のモータ制御装置の異常時の各部波形を示す図である。
【符号の説明】
【0021】
1 モータ制御装置、 2 モータ、 4 バッテリ、
52 三相インバータ回路、 53 ゲート駆動回路、 54 スイッチ手段、
55 出力電圧監視回路、 55A AND回路、
56 第1のマイクロコントローラ、 56X、57X タイマー、
57 第2のマイクロコントローラ、 550 出力電圧監視回路、
555 インバータ周期監視回路、 C1,C2,C3 コンデンサ、
B1,B2,B3 バッファ、
FF フリップフロップ回路、 CP1 第1の比較器 CP2 第2の比較器。




 

 


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