(57)【要約】【課題】インバータ回路中のスイッチング素子が過負荷状態になった場合にも、モータ電流を減少させることなく、スイッチング素子の負荷を軽減させることができる、三相ブラシレスＤＣモータの制御装置を提供する。【解決手段】上アームスイッチング素子がオン状態で下アームスイッチング素子がオフ状態である時間比率を示すデューティ比を変化させることで、三相インバータ回路をＰＷＭ制御する制御装置３０が、上アームスイッチング素子又は下アームスイッチング素子のいずれか一方にのみ過負荷のスイッチング素子が存在する過負荷状態にあると判定される場合に、各相の電圧指令値に基づいて定まる各相のＰＷＭデューティ比を、過負荷側のアームに流れる電流が減少する方向に調節する手段４４、４６及び３６を備える。【選択図】図２
2007274764.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相ブラシレスＤＣモータに電力を供給する三相インバータ回路の各相において、上アームスイッチング素子がオン状態で下アームスイッチング素子がオフ状態である時間比率を示すデューティ比を変化させることで、三相インバータ回路をＰＷＭ制御する、三相ブラシレスＤＣモータの制御装置であって、
各スイッチング素子の負荷を検出する負荷検出手段と、
前記負荷検出手段の出力に基づいて、上アームスイッチング素子又は下アームスイッチング素子のいずれか一方にのみ過負荷のスイッチング素子が存在する過負荷状態にあるか否かを判定する過負荷判定手段と、
前記過負荷判定手段によって該過負荷状態にあると判定される場合に、各相の電圧指令値に基づいて定まる各相のＰＷＭデューティ比を、過負荷側のアームに流れる電流が減少する方向に調節するＰＷＭデューティ比調節手段と、
を具備する三相ブラシレスＤＣモータの制御装置。
【請求項２】
前記負荷検出手段は、各スイッチング素子の近傍に設置された温度検出素子である、請求項１に記載の三相ブラシレスＤＣモータの制御装置。
【請求項３】
前記ＰＷＭデューティ比調節手段は、上アームスイッチング素子の温度が閾値を超える場合にデューティ比の上限値を小さくする一方、下アームスイッチング素子の温度が閾値を超える場合にデューティ比の下限値を大きくする、請求項２に記載の三相ブラシレスＤＣモータの制御装置。
【請求項４】
モータに電力を供給するインバータ回路の各相において、各スイッチング素子のオン状態、オフ状態である時間比率を示すデューティ比を変化させることで、インバータ回路をＰＷＭ制御する、モータの制御装置であって、
各スイッチング素子の負荷を検出する負荷検出手段と、
前記負荷検出手段の出力に基づいて、過負荷のスイッチング素子が存在する過負荷状態にあるか否かを判定する過負荷判定手段と、
前記過負荷判定手段によって該過負荷状態にあると判定される場合に、各相の電圧指令値に基づいて定まる各相のＰＷＭデューティ比を、過負荷側のアームに流れる電流が減少する方向に調節するＰＷＭデューティ比調節手段と、
を具備するモータの制御装置。
【請求項５】
モータに電力を供給するインバータ回路の各相において、各スイッチング素子のオン状態、オフ状態である時間比率を示すデューティ比を変化させることで、インバータ回路をＰＷＭ制御する、モータの制御方法であって、
各スイッチング素子の負荷を検出する負荷検出ステップと、
前記負荷検出ステップの出力に基づいて、過負荷のスイッチング素子が存在する過負荷状態にあるか否かを判定する過負荷判定ステップと、
前記過負荷判定ステップによって該過負荷状態にあると判定される場合に、各相の電圧指令値に基づいて定まる各相のＰＷＭデューティ比を、過負荷側のアームに流れる電流が減少する方向に調節するＰＷＭデューティ比調節ステップと、
を具備するモータの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三相ブラシレスＤＣモータに電力を供給する三相インバータ回路をＰＷＭ制御する三相ブラシレスＤＣモータの制御装置及び制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、自動車の電動パワーステアリング（ＥＰＳ： Electric Power Steering）用モータとして、三相ブラシレスＤＣモータが広く利用されている。かかる三相ブラシレスＤＣモータの制御においては、電力変換回路としての三相電圧形インバータ回路中のスイッチング素子を破損から保護するため、過負荷時に電機子電流を制限する処置が実施されている。
【０００３】
具体的には、図１に示されるような、スイッチング素子の負荷としての素子温度に応じて最大電機子電流を定めた電流制限マップを設け、過負荷時には電流を制限することでスイッチング素子にかかる負荷を軽減している。図１のマップによれば、素子温度が閾値Ｔｊｔｈを超えると、最大電機子電流の値がＩｍａｘから徐々に減少せしめられる。なお、Ｔｊｍａｘは、最大素子温度を示す。
【０００４】
しかしながら、上述の制御によれば、過負荷時処理としてモータの電流が絞られるため、モータの出力トルクが低下し、結果としてモータによる必要なアシストを得ることができなくなる。また、一時的なモータロック状態をもつ作動条件の場合、又は放熱構造に偏りがある場合には、一部のスイッチング素子への負荷の集中が起こって、過負荷処理が発生しやすくなり、結果として、これらの場合にも、モータによる十分なアシストを得ることができなくなる。
【０００５】
なお、本発明に関連する先行技術文献として、下記特許文献１は、負荷による三相ブラシレスＤＣモータの制御方法について開示している。また、下記特許文献２は、回転速度制御用のＰＷＭ回路を持つブラシレスＤＣモータの駆動回路について開示している。さらに、下記特許文献３及び４は、三相ブラシレスＤＣモータの駆動方法について開示している。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−３２４９８６号公報
【特許文献２】特許第３１３１１５７号公報
【特許文献３】特開２００４−３２８９１２号公報
【特許文献４】特開２００３−２８９６８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、インバータ回路中のスイッチング素子が過負荷状態になった場合にも、モータ電流を減少させることなく、スイッチング素子の負荷を軽減させることができる、三相ブラシレスＤＣモータの制御装置及び制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明によれば、三相ブラシレスＤＣモータに電力を供給する三相インバータ回路の各相において、上アームスイッチング素子がオン状態で下アームスイッチング素子がオフ状態である時間比率を示すデューティ比を変化させることで、三相インバータ回路をＰＷＭ制御する、三相ブラシレスＤＣモータの制御装置であって、各スイッチング素子の負荷を検出する負荷検出手段と、前記負荷検出手段の出力に基づいて、上アームスイッチング素子又は下アームスイッチング素子のいずれか一方にのみ過負荷のスイッチング素子が存在する過負荷状態にあるか否かを判定する過負荷判定手段と、前記過負荷判定手段によって該過負荷状態にあると判定される場合に、各相の電圧指令値に基づいて定まる各相のＰＷＭデューティ比を、過負荷側のアームに流れる電流が減少する方向に調節するＰＷＭデューティ比調節手段と、を具備する三相ブラシレスＤＣモータの制御装置が提供される。
【０００９】
また、本発明によれば、モータに電力を供給するインバータ回路の各相において、各スイッチング素子のオン状態、オフ状態である時間比率を示すデューティ比を変化させることで、インバータ回路をＰＷＭ制御する、モータの制御装置であって、各スイッチング素子の負荷を検出する負荷検出手段と、前記負荷検出手段の出力に基づいて、過負荷のスイッチング素子が存在する過負荷状態にあるか否かを判定する過負荷判定手段と、前記過負荷判定手段によって該過負荷状態にあると判定される場合に、各相の電圧指令値に基づいて定まる各相のＰＷＭデューティ比を、過負荷側のアームに流れる電流が減少する方向に調節するＰＷＭデューティ比調節手段と、を具備するモータの制御装置が提供される。
【００１０】
また、本発明によれば、モータに電力を供給するインバータ回路の各相において、各スイッチング素子のオン状態、オフ状態である時間比率を示すデューティ比を変化させることで、インバータ回路をＰＷＭ制御する、モータの制御方法であって、各スイッチング素子の負荷を検出する負荷検出ステップと、前記負荷検出ステップの出力に基づいて、過負荷のスイッチング素子が存在する過負荷状態にあるか否かを判定する過負荷判定ステップと、前記過負荷判定ステップによって該過負荷状態にあると判定される場合に、各相の電圧指令値に基づいて定まる各相のＰＷＭデューティ比を、過負荷側のアームに流れる電流が減少する方向に調節するＰＷＭデューティ比調節ステップと、を具備するモータの制御方法が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明による三相ブラシレスＤＣモータの制御装置及び制御方法においては、三相インバータ回路の上アームスイッチング素子の中に過負荷状態のものがあれば、各相においてＰＷＭデューティ比が下げられることで、上アームに電流が流れる時間が減少するとともに下アームに電流が流れる時間が増大する結果、上アームスイッチング素子の過負荷状態が解消される。その際、各相電圧は下がることになるが、相間電圧すなわちモータ端子間電圧は一定に維持されるため、モータ電流が減少することはない。
【００１２】
同様に、三相インバータ回路の下アームスイッチング素子の中に過負荷状態のものがあれば、各相においてＰＷＭデューティ比が上げられることで、上アームに電流が流れる時間が増大するとともに下アームに電流が流れる時間が減少する結果、下アームスイッチング素子の過負荷状態が解消される。その際、各相電圧は上がることになるが、相間電圧すなわちモータ端子間電圧は一定に維持されるため、モータ電流は一定のままである。
【００１３】
したがって、本発明は、モータの出力トルクを低下させることなく、上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子とに負荷を分散させることで、過負荷状態にあるスイッチング素子の負荷を低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図２は、本発明による制御装置の一実施形態が適用される三相ブラシレスＤＣモータシステムの構成を示す図である。同図において、符号１０は永久磁石同期モータ、符号１２は当該モータによってアシストされる自動車用電動パワーステアリング等の機械、符号１４はバッテリ等の直流電源、符号２０は三相電圧形インバータ回路、符号３０は制御装置、をそれぞれ示す。
【００１５】
三相電圧形インバータ回路２０においては、スイッチング素子として、駆動電力が小さく、スイッチング速度が高く、許容短絡時間も長いＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）が使用されている。従来、かかるスイッチング素子を破損から保護するため、過負荷時には電機子電流を制限する処置が実施されていた。
【００１６】
制御装置３０は、電流指令値演算部３２、電圧指令値演算部３４、ＰＷＭ指令値演算部３６、ＭＯＳＦＥＴ駆動回路３８、回転角センサ（レゾルバ）４０、電流センサ４２、温度センサ４４、過負荷処理部４６、等を備える。ここで、電流指令値演算部３２は、指令トルクを受けて各相電流指令値を演算するものであるが、過負荷時における電流軽減処理をも実施する。電圧指令値演算部３４は、電流指令値演算部３２からの各相電流指令値を受けて対応する各相電圧指令値（三相正弦波電圧指令値）を演算する。
【００１７】
ＰＷＭ指令値演算部３６は、電圧指令値演算部３４からの各相電圧指令値を受けて各相ＰＷＭ指令値すなわち各相デューティ比を演算するとともに、後述されるＰＷＭ軽減処理を実施する。ＭＯＳＦＥＴ駆動回路３８は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の各々に関し、デューティ比信号がアクティブの期間において上アームのＭＯＳＦＥＴをオンとする一方、デューティ比信号がインアクティブの期間において下アームのＭＯＳＦＥＴをオンとする各ゲート信号を出力する。
【００１８】
また、回転角センサ（レゾルバ）４０は、モータ１０の回転子の角度（電気角）を検出する。電流センサ４２は、各相の実電流値を検出する。温度センサ４４は、各ＭＯＳＦＥＴの近傍に設置され、各ＭＯＳＦＥＴの温度を検出する。過負荷処理部４６は、各ＭＯＳＦＥＴの温度に基づいて各ＭＯＳＦＥＴの負荷状態を判定して処理する。
【００１９】
図３は、過負荷処理部４６の処理手順を示すフローチャートである。この処理は、所定時間周期で実行される。また、図４（Ａ）及び（Ｂ）は、スイッチング素子温度に応じてＰＷＭデューティ比のそれぞれ上限値及び下限値を定めたマップを示す図である。まず、ステップ１０２では、温度センサ４４によって検出される温度に基づいて過負荷状態にあるスイッチング素子があるか否かが判定される。過負荷素子がない場合には、本ルーチンは終了する。
【００２０】
ステップ１０２において過負荷状態にあるスイッチング素子が存在すると判定された場合には、ステップ１０４に進む。ステップ１０４では、過負荷状態のスイッチング素子の場所、即ち、いずれの相（Ｕ相、Ｖ相又はＷ相）のどちら側（上アーム又は下アーム）の素子であるかが記憶される。
【００２１】
次いで、ステップ１０６では、上アームスイッチング素子又は下アームスイッチング素子のいずれか一方にのみ過負荷のスイッチング素子が存在する状態か否かが判定される。上アームスイッチング素子にも下アームスイッチング素子にも、過負荷のスイッチング素子が存在する場合には、ステップ１０８に進む。ステップ１０８では、ＰＷＭ制御による負荷軽減処置ができないため、従来どおり、電流値を制限することが決定され、図１のマップに基づき最大電流値が算出される。そして、別途、電流指令値演算部３２は、電流軽減処理を実施する。
【００２２】
一方、ステップ１０６において、上アームスイッチング素子又は下アームスイッチング素子のいずれか一方にのみ過負荷のスイッチング素子が存在すると判定された場合には、ステップ１１０に進む。ステップ１１０では、過負荷のスイッチング素子が上アームの素子であるか又は下アームの素子であるかが判定される。
【００２３】
ステップ１１０において過負荷のスイッチング素子が上アームの素子であると判定された場合には、ステップ１１２に進み、図４（Ａ）のマップを参照して、スイッチング素子温度に応じたＰＷＭ指令値（デューティ比）の上限値ＬＩＭＡＸＰＷＭを決定し、本ルーチンを終了する。図４（Ａ）のマップによれば、素子温度が閾値Ｔｊｔｈを超えると、ＰＷＭ指令上限値ＬＩＭＡＸＰＷＭの値が１００から徐々に減少せしめられる。なお、Ｔｊｍａｘは、最大素子温度を示す。
【００２４】
一方、ステップ１１０において過負荷のスイッチング素子が下アームの素子であると判定された場合には、ステップ１１４に進み、図４（Ｂ）のマップを参照して、スイッチング素子温度に応じたＰＷＭ指令値（デューティ比）の下限値ＬＩＭＩＮＰＷＭを決定し、本ルーチンを終了する。図４（Ｂ）のマップによれば、素子温度が閾値Ｔｊｔｈを超えると、ＰＷＭ指令下限値ＬＩＭＩＮＰＷＭの値が徐々に増大せしめられる。なお、Ｔｊｍａｘは、最大素子温度を示す。ステップ１０８、１１２又は１１４の実行後、本ルーチンは終了する。
【００２５】
図５は、ＰＷＭ指令値演算部３６の処理手順を示すフローチャートである。この処理は、所定時間周期で実行される。まず、ステップ２０２では、電圧指令値演算部３４からＵ相電圧指令値ＶＵ、Ｖ相電圧指令値ＶＶ及びＷ相電圧指令値ＶＷを受けて、下記の演算式により、Ｕ相ＰＷＭ指令値ＰＷＭＵ、Ｖ相ＰＷＭ指令値ＰＷＭＶ及びＷ相ＰＷＭ指令値ＰＷＭＷを算出する。
【００２６】
ＰＷＭＵ＝ＶＵ＊ＰＷＭＫ／ＶＢ＋ＰＷＭＣ＋ＬＩＯＦＦ
ＰＷＭＶ＝ＶＶ＊ＰＷＭＫ／ＶＢ＋ＰＷＭＣ＋ＬＩＯＦＦ
ＰＷＭＷ＝３＊（ＰＷＭＣ＋ＬＩＯＦＦ）−ＰＷＭＵ−ＰＷＭＶ
【００２７】
なお、上記の式において、ＰＷＭＣは、５０％相当のＰＷＭ指令値である。また、ＰＷＭＫは、電圧指令値からＰＷＭ指令値への変換係数である。また、ＶＢは、駆動電圧モニタ値である。さらに、ＬＩＯＦＦは、後述のステップによって算出される軽減オフセット値（初期値は０）である。
【００２８】
次いで、ステップ２０４においては、算出された各相ＰＷＭ指令値ＰＷＭＵ、ＰＷＭＶ及びＰＷＭＷがハードウェア上の制限を満たすか否か、すなわち下記の範囲内にあるか否かを判定する。なお、ＭＩＮＤＵＴＹ及びＭＡＸＤＵＴＹは、ハードウェア上の制限からのそれぞれ上限値及び下限値である。
ＭＩＮＤＵＴＹ＜ＰＷＭＵ＜ＭＡＸＤＵＴＹ、
ＭＩＮＤＵＴＹ＜ＰＷＭＶ＜ＭＡＸＤＵＴＹ、及び
ＭＩＮＤＵＴＹ＜ＰＷＭＷ＜ＭＡＸＤＵＴＹ
【００２９】
ステップ２０４においてハードウェア上の制限を満たさないＰＷＭ指令値が存在すると判定された場合には、ステップ２０６に進む。ステップ２０６では、電流値を制限することが決定され、本ルーチンは終了する。そして、別途、電流指令値演算部３２は、電流軽減処理を実施する。
【００３０】
一方、ステップ２０４において全てのＰＷＭ指令値がハードウェア上の制限を満たすと判定された場合には、ステップ２０８に進む。ステップ２０８では、ＰＷＭ指令値ＰＷＭＵ、ＰＷＭＶ及びＰＷＭＷのうち過負荷素子が存在する相の指令値をＰＷＭ＃（＃はＵ、Ｖ又はＷ）として、ＰＷＭ＃が、過負荷処理部４６によって算出されているＰＷＭ指令上限値ＬＩＭＡＸＰＷＭを超えているか否かを判定する。
【００３１】
ステップ２０８においてＰＷＭ＃＞ＬＩＭＡＸＰＷＭと判定された場合には、ステップ２１０に進む。ステップ２１０では、下記の演算式により、軽減オフセット値ＬＩＯＦＦを算出する。なお、算出されるＬＩＯＦＦは、負の値を有する。
ＬＩＯＦＦ＝ＬＩＭＡＸＰＷＭ−ＰＷＭ＃
【００３２】
一方、ステップ２０８においてＰＷＭ＃≦ＬＩＭＡＸＰＷＭと判定された場合には、ステップ２１２に進む。ステップ２１２では、過負荷素子が存在する相の指令値ＰＷＭ＃（＃はＵ、Ｖ又はＷ）が、過負荷処理部４６によって算出されているＰＷＭ指令下限値ＬＩＭＩＮＰＷＭ未満か否かを判定する。ＰＷＭ＃≧ＬＩＭＩＮＰＷＭと判定された場合には、本ルーチンを終了する。
【００３３】
一方、ＰＷＭ＃＜ＬＩＭＩＮＰＷＭと判定される場合には、ステップ２１４に進む。ステップ２１４では、下記の演算式により、軽減オフセット値ＬＩＯＦＦを算出する。なお、算出されるＬＩＯＦＦは、正の値を有する。
ＬＩＯＦＦ＝ＬＩＭＩＮＰＷＭ−ＰＷＭ＃
【００３４】
そして、ステップ２１０又は２１４の実行後には、ＬＩＯＦＦが更新されているため、ステップ２１６に進み、ＰＷＭ指令値を算出し直す。演算内容は、ステップ２０２におけるものと同一である。ステップ２１６の実行後、本ルーチンは終了する。
【００３５】
上述の実施形態においては、三相電圧形インバータ回路２０の上アームＭＯＳＦＥＴの中に過負荷状態のものがあれば、各相においてＰＷＭデューティ比が下げられることで、上アームに電流が流れる時間が減少するとともに下アームに電流が流れる時間が増大する結果、上アームＭＯＳＦＥＴの過負荷状態が解消される。その際、各相電圧は下がることになるが、相間電圧すなわちモータ端子間電圧は一定に維持されるため、モータ電流は減少することはない。
【００３６】
同様に、三相電圧形インバータ回路２０の下アームＭＯＳＦＥＴの中に過負荷状態のものがあれば、各相においてＰＷＭデューティ比が上げられることで、上アームに電流が流れる時間が増大するとともに下アームに電流が流れる時間が減少する結果、下アームＭＯＳＦＥＴの過負荷状態が解消される。その際、各相電圧は上がることになるが、相間電圧すなわちモータ端子間電圧は一定に維持されるため、モータ電流は一定のままである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】スイッチング素子温度に応じて最大電機子電流を定めた電流制限マップを示す図である。
【図２】本発明による制御装置の一実施形態が適用される三相ブラシレスＤＣモータシステムの構成を示す図である。
【図３】過負荷処理部の処理手順を示すフローチャートである。
【図４】（Ａ）及び（Ｂ）は、スイッチング素子温度に応じてＰＷＭデューティ比のそれぞれ上限値及び下限値を定めたマップを示す図である。
【図５】ＰＷＭ指令値演算部の処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３８】
１０    永久磁石同期モータ
１２    自動車用電動パワーステアリング等の機械
１４    直流電源
２０    三相電圧形インバータ回路
３０    制御装置
３２    電流指令値演算部
３４    電圧指令値演算部
３６    ＰＷＭ指令値演算部
３８    ＭＯＳＦＥＴ駆動回路
４０    回転角センサ（レゾルバ）
４２    電流センサ
４４    温度センサ
４６    過負荷処理部
【図１】
2007274764.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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