(57)【要約】【課題】簡単な回路構成にして、インバータの一部が故障して多相の巻線のうちの１相が損傷したり、多相の巻線のうちの１相が故障したりした場合でも、電流欠損分を補うことのできるブラシレスモータを提供する。【解決手段】電源の中性点(6a)と巻線における星型結線の中性点(2a)とを接続する中性線(8)と、複数相の巻線のうち、いずれかの相の故障を検出する故障検出手段(9)と、故障検出手段でいずれかの相の故障が検出された場合に、演算処理装置に入力された故障検出情報から相毎に故障の有無を判別する故障相判別手段と、故障相判別手段で故障なしと判別された各相の電流をＸ軸及びＹ軸直交成分に分解して合成した合成電流の電流ベクトルの軌跡が略円となるように、各相の電流の位相を変化させる位相制御手段とを備える。【選択図】図１
2012222881.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータに接続された複数相の巻線を有するブラシレスモータであって、
電源の中性点と前記巻線における星型結線の中性点とを接続する中性線と、
前記複数相の巻線の故障を検出し、各相における故障の有無の情報を含む故障検出情報を出力する故障検出手段と、
前記故障検出手段でいずれかの相の故障が検出された場合に、前記故障検出情報から相毎に故障の有無を判別する故障相判別手段と、
該故障相判別手段で故障なしと判別された各相の電流をＸ軸及びＹ軸直交成分に分解して合成した合成電流の電流ベクトルの軌跡が略円となるように、各相の電流の位相を変化させる位相制御手段と、
を備えたことを特徴とするブラシレスモータ。
【請求項２】
さらに、前記巻線の各相に流す電流を増幅させるゲイン補正手段を備えることを特徴とする、請求項１に記載のブラシレスモータ。
【請求項３】
インバータに接続された複数相の巻線を有するブラシレスモータの制御方法であって、
前記複数相の巻線の故障を検出し、各相における故障の有無の情報を含む故障検出情報を出力する故障検出ステップと、
前記故障検出ステップでいずれかの相の故障が検出された場合に、前記故障検出情報から相毎に故障の有無を判別する故障相判別ステップと、
該故障相判別ステップで故障なしと判別された各相の電流をＸ軸及びＹ軸直交成分に分解して合成した合成電流の電流ベクトルの軌跡が略円となるように、各相の電流の位相を変化させる位相制御ステップと、
を備えたことを特徴とするブラシレスモータの制御方法。
【請求項４】
さらに、前記位相制御ステップの後に、前記巻線の各相に流す電流を増幅させるゲイン補正ステップを備えることを特徴とする、請求項３に記載のブラシレスモータの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブラシレスモータ及びその制御方法に係り、詳しくは航空機や宇宙分野で使用されるブラシレスモータ及びその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ブラシレスモータとしては、例えば、図７に示すような３相ブラシレスモータがある。
図７に示すように、ブラシレスモータ３０は、Ａ系及びＢ系の２組の巻線３２、３４を備えており、巻線３２、３４はそれぞれインバータ３６、３８に接続され、Ａ系の巻線３２における星型結線の中性点３２ａ及びＢ系の巻線３４における星型結線の中性点３４ａの双方には中性線４０が接続され、巻線３２、３４の各相に流れた電流は、インバータ３６，３８を介してインターフェース回路４２にフィードバックされて電流制御が行われるように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３６９５８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した従来技術では、冗長構成となるＡ系及びＢ系の２組の巻線３２、３４において、いずれか一方の系が故障し、さらに正常な系の巻線において３相のうち１相でも故障した場合、またはインバータの一部が故障して３相巻線２のうち１相が損傷した場合には、モータを回すことができないという問題がある。
また、冗長構成にすることで回路構成が複雑になるため、好ましいことではない。
【０００５】
本発明は、上述した課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、簡単な回路構成にして、インバータの一部が故障して多相の巻線のうちの１相が損傷したり、多相の巻線のうちの１相が故障したりした場合でも、電流欠損分を補うことのできるブラシレスモータ及びその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】
【０００６】
上記の目的を達成するべく、請求項１のブラシレスモータは、インバータに接続された複数相の巻線を有するブラシレスモータであって、電源の中性点と前記巻線における星型結線の中性点とを接続する中性線と、前記複数相の巻線の故障を検出し、各相における故障の有無の情報を含む故障検出情報を出力する故障検出手段と、前記故障検出手段でいずれかの相の故障が検出された場合に、前記故障検出情報から相毎に故障の有無を判別する故障相判別手段と、該故障相判別手段で故障なしと判別された各相の電流をＸ軸及びＹ軸直交成分に分解して合成した合成電流の電流ベクトルの軌跡が略円となるように、各相の電流の位相を変化させる位相制御手段とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
請求項２のブラシレスモータは、請求項１において、さらに、前記巻線の各相に流す電流を増幅させるゲイン補正手段を備えることを特徴とする。
【０００８】
請求項３のブラスレスモータの制御方法は、インバータに接続された複数相の巻線を有するブラシレスモータの制御方法であって、前記複数相の巻線の故障を検出し、各相における故障の有無の情報を含む故障検出情報を出力する故障検出ステップと、前記故障検出ステップでいずれかの相の故障が検出された場合に、前記故障検出情報から相毎に故障の有無を判別する故障相判別ステップと、該故障相判別ステップで故障なしと判別された各相の電流をＸ軸及びＹ軸直交成分に分解して合成した合成電流の電流ベクトルの軌跡が略円となるように、各相の電流の位相を変化させる位相制御ステップとを備えたことを特徴とする。
【０００９】
請求項４のブラシレスモータの制御方法は、請求項３において、さらに、前記位相制御ステップの後に、前記巻線の各相に流す電流を増幅させるゲイン補正ステップを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１のブラシレスモータによれば、電源の中性点と巻線における星型結線の中性点とを中性線で接続し、故障検出手段により複数相の巻線のうちいずれかの相の故障が検出された場合に、故障相判別手段により故障なしと判別された相について、位相制御手段により各相の電流をＸ軸及びＹ軸直交成分に分解して合成した合成電流の電流ベクトルの軌跡が略円となるように電流の位相を変化させる。
【００１１】
従って、複数相の巻線のうちいずれかの相が故障した場合、またはインバータの一部が故障していずれかの相に電流が流れなくなる場合でも中性線により電流が流れるので、故障後もモータを回転させることができると共に、合成電流の電流ベクトルが略円の軌跡を描くように正常な相の電流の位相を変化させることにより電流が安定するので、トルクリプルが低減し、安定して運転制御することが可能となる。
また、故障を検出した場合に、速やかに位相制御手段により自動で電流の位相制御を行うので安定したモータの運転制御が可能となり、信頼性を向上させることができる。
【００１２】
請求項２のブラシレスモータによれば、ゲイン補正手段は巻線の各相に流す電流を増幅させることにより、故障により不足するトルクを増幅した電流で補うので、より安定したモータの運転制御を行うことができる。
【００１３】
請求項３のブラシレスモータの制御方法によれば、故障検出ステップで複数相の巻線のうちいずれかの相の故障が検出された場合に、故障相判別ステップにより故障なしと判別された相について、位相制御ステップにより各相の電流をＸ軸及びＹ軸直交成分に分解して合成した合成電流の電流ベクトルの軌跡が略円となるように電流の位相を変化させる。
【００１４】
従って、合成電流の電流ベクトルが略円の軌跡を描くように正常な相の電流の位相を変化させることにより電流が安定するので、トルクリプルが低減し、安定してモータを運転制御することができる。
また、故障を検出した場合に、速やかに位相制御ステップにより自動で電流の位相制御を行うので、安定したモータの運転制御が可能となり、信頼性を向上させることができる。
【００１５】
請求項４のブラシレスモータの制御方法によれば、ゲイン補正ステップは巻線の各相に流す電流を増幅させることにより、モータの運転制御の安定性をより向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係るブラシレスモータの回路図である。
【図２】（Ａ）正常時にブラシレスモータのＵ相、Ｖ相、Ｗ相を流れる電流の波形を表したグラフ、（Ｂ）正常時の合成電流の波形を表したグラフ、（Ｃ）正常時の合成電流のベクトル図である。
【図３】本発明に係るブラシレスモータの故障時の制御方法を示すフローチャートである。
【図４】（Ａ）故障時にブラシレスモータのＵ相、Ｖ相、Ｗ相を流れる電流の波形を表したグラフ、（Ｂ）故障時の合成電流の波形を表したグラフ、（Ｃ）故障時の合成電流のベクトル図である。
【図５】（Ａ）故障後、位相制御を行った場合にブラシレスモータのＵ相、Ｖ相、Ｗ相を流れる電流の波形を表したグラフ、（Ｂ）故障後、位相制御を行った場合の合成電流の波形を表したグラフ、（Ｃ）故障後、位相制御を行った場合の合成電流のベクトル図である。
【図６】（Ａ）位相制御後、ゲイン補正を行った場合にブラシレスモータのＵ相、Ｖ相、Ｗ相を流れる電流の波形を表したグラフ、（Ｂ）位相制御後、ゲイン補正を行った場合の合成電流の波形を表したグラフ、（Ｃ）位相制御後、ゲイン補正を行った場合の合成電流のベクトル図である。
【図７】従来のブラシレスモータの回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係るブラシレスモータの回路図である。
図１に示すように、ブラシレスモータ１は３相巻線２を有しており、３相巻線２はインバータ４に接続されている。３相巻線２はＵ相、Ｖ相、及びＷ相の巻線から構成され、各相の巻線を中性点２ａで接続する星型結線である。３相巻線２における星型結線の中性点２ａと電源６の中性点６ａとは、中性線８で接続されている。
【００１８】
中性線８は、インバータ４の一部が故障して３相巻線２のうちいずれか１相に電流が流れなくなった場合、または３相巻線２のうちいずれか１相が故障した場合に電流が流れ、星型結線からＶ結線に変更することができる。
３相巻線２の各相に流れた電流は、インバータ４と３相巻線２とを結ぶラインに介装された電流センサ（故障検出手段）９でそれぞれ検出され、検出された電気信号はコントローラ１０へ入力されるように構成されている。
【００１９】
コントローラ１０は中央演算処理装置（以下、ＣＰＵ）１２やＲＯＭ、ＲＡＭ等を含むメモリ装置１４等を含んで構成される。メモリ装置１４には各プログラムが格納されており、当該プログラムをＣＰＵ１２で実行することにより、インバータ４の出力が制御される。
コントローラ１０にはロータ検出器１６が接続され、ロータ１８の回転角を検出し、コントローラ１０へ入力する。
【００２０】
ブラシレスモータ１が正常に運転されている場合、３相巻線２に対称三相交流電流を流すと、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を流れる電流は、
【００２１】
【数１】
2012222881.tif 000003
【００２２】
となり、各相を流れる電流の波形は図２（Ａ）のようになる。なお、Ｉmは線電流を表し、図２及び以下に示す図４〜６に示すグラフでは線電流Ｉm＝１とする。
各相を流れる電流をＸ軸、Ｙ軸の直交２軸に分解すると、
【００２３】
【数２】
2012222881.tif 000004
【００２４】
となり、Ｘ軸、Ｙ軸の合成電流Ｉx、Ｉyは
【００２５】
【数３】
2012222881.tif 000005
【００２６】
となり、図２（Ｂ）に示すような波形となる。図２（Ｃ）に示すように、回転する電流ベクトルの軌跡は略円となる。また、正常時の電流の位相は、arctan(cosωt／sinωt)=π／２−ωtである。
【００２７】
このように構成された本発明のブラシレスモータ１の故障時の制御方法について、以下に説明する。
図３は、３相巻線２のうち１相が故障した場合のブラシレスモータ１の制御方法を示すフローチャートである。当該フローチャートは、コントローラ１０のメモリ装置１４に格納されているプログラムをＣＰＵ１２で実行することにより行われるソフトウェアの処理内容であり、所定の周期で実行される。
【００２８】
ステップＳ１では、ロータ検出器１６からロータ１８の回転角を取得し、３相巻線２の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に流れる電流の位相が最適になるように調整し、インバータ４の出力を制御する。
図２（Ａ）に各相に流れる電流の位相を示すように、各相の位相差が１２０°となるように制御する。
【００２９】
ステップＳ２では、電流センサ９から入力された電気信号から、３相巻線２全体の故障が検出されたか否かを判定する（故障検出ステップ）。当該判定結果が真（Ｙｅｓ）の場合にはステップＳ３へ進み、偽（Ｎｏ）の場合には本制御を終了する。
【００３０】
ステップＳ３では、故障した相の判別を行う（故障相判別手段、故障相判別ステップ）。故障した相は、上記ステップＳ２で入力された電気信号から判別する。本実施形態では、３相巻線２のＵ相に接続されているインバータ４に短絡故障が発生した場合について説明する。
【００３１】
Ｕ相のインバータ４に短絡故障が発生する場合、中性線８に電流が流れるのでＶ相及びＷ相の巻線が接続されたＶ結線となり、図４（Ａ）に示すように、Ｖ相、Ｗ相にのみ電流が流れる。
この場合のＸ軸、Ｙ軸の合成電流Ｉx、Ｉyは、
【００３２】
【数４】
2012222881.tif 000006
【００３３】
となり、図４（Ｂ）に示すように、合成電流Ｉxが合成電流Ｉyよりも小さくなる。図４（Ｃ）にベクトル図を示すように、回転する電流ベクトルの軌跡は楕円となる。このため、電流が不足する箇所ではモータを回転させるためのトルクが不足するため、滑らかにモータを回転させることができない。
【００３４】
続くステップＳ４では、正常な相の電流の位相を制御する（位相制御手段、位相制御ステップ）。詳しくは、正常運転時と同位相となるように位相を変化させる。
正常運転時と同位相にさせるためのＶ相及びＷ相の位相変化量をα１、α２とすると、位相制御後のＶ相の電流Ｉv、及びＷ相における電流Ｉwはそれぞれ、
【００３５】
【数５】
2012222881.tif 000007
【００３６】
となる。本実施形態では、例えばα１は−π／６、α２はπ／６であり、この場合の合成電流Ｉx、Ｉyは、
【００３７】
【数６】
2012222881.tif 000008
【００３８】
で表される。
図５（Ａ）に位相制御後のＶ相及びＷ相の電流の波形、図５（Ｂ）に合成電流Ｉx、Ｉyの波形、図５（Ｃ）に合成電流Ｉx、Ｉyのベクトル図をそれぞれ示す。図５（Ｂ）に示すように、合成電流Ｉx、Ｉyの位相差は９０°であり、合成電流Ｉx、Ｉyの各最大値及び最小値は略等しい。図５（Ｃ）に示すように、電流ベクトルの軌跡は略円となる。
また、位相制御後の位相はarctan(cosωt／sinωt)＝π／２−ωtとなり、正常運転時の位相と同位相になる。
【００３９】
ステップＳ５では、正常な相を流れる電流のゲイン補正を行う（ゲイン補正手段、ゲイン補正ステップ）。
図３（Ｃ）、図５（Ｃ）にそれぞれ電流ベクトルを示すように、正常運転時の電流ベクトルと比べて位相制御後の電流ベクトルは電流の大きさが不足するために、モータを回転させるためのトルクが不足する。この不足分のトルクを上げるために電流のゲインを補正する。
【００４０】
詳しくは、ゲイン補正を行ったＶ相の電流Ｉv及びＷ相の電流Ｉwは、ゲイン補正係数をβとすると、
【００４１】
【数７】
2012222881.tif 000009
【００４２】
で表される。
本実施形態では、正常運転時の合成電流は線電流Ｉmの３／２倍であり、故障時の位相制御後の合成電流は線電流Ｉmの√３／２倍であるので、正常運転時と略等しい大きさの電流を得るためのゲイン補正係数βは、β＝（３／２）／（√３／２）＝√３となり、ゲイン補正後のＶ相、Ｗ相の電流Ｉv、Ｉwの波形は図６（Ａ）のようになる。
従って、ゲイン補正後の合成電流Ｉx、Ｉyは、
【００４３】
【数８】
2012222881.tif 000010
【００４４】
となる。
図６（Ｂ）にゲイン補正後の合成電流Ｉx、Ｉyの波形を示すグラフ、図６（Ｃ）に合成電流Ｉx、Ｉyのベクトル図を示す。図６（Ｃ）に示すように、ゲイン補正を行うことにより正常運転時と略等しい大きさの電流を得ることができる。
【００４５】
このように、本実施形態に係るブラシレスモータによれば、３相巻線２の中性点２ａ及び電源の中性点６ａを中性線８で接続し、電流センサ９からコントローラ１０に入力された電気信号から３相巻線２のいずれか１相に故障が検出された場合、故障した相を判別し、正常な相の合成電流の電流ベクトルの軌跡が略円となるように位相をそれぞれ変化させる。
【００４６】
従って、３相巻線２を構成する各相のうちいずれか１相が故障した場合でも中性線８を電流が流れることにより、星型結線から正常な２相のＶ結線に変更されるのでモータを継続して回転させることができると共に、回転する電流ベクトルの軌跡が略円を描くように位相を変化させることで電流が安定することによりトルクリプルを低減することができるので、安定した運転制御が可能となる。
【００４７】
また、故障検出後、速やかに位相を制御することにより、安定した運転制御を行うことができるので、信頼性を向上させることができる。
さらに、故障検出後、正常な相を流れる電流のゲイン補正を行い電流を増加させることにより、故障により不足するトルクを電流で補うので、モータの運転の安定性をより向上させることができる。
【００４８】
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態ではステップＳ４の位相制御で正常なＶ相、Ｗ相の電流の位相を制御したが、これと合わせて弱め界磁制御等の位相制御を実施してもよい。
また、上記実施形態ではステップＳ５で正常運転時と同等の大きさの電流となるようにゲイン補正を行ったが、これに限られず、電流増加から電力回路を保護するために電流を適切な比率に低減するようにゲイン補正してもよい。
【００４９】
また、上記実施形態では故障を検出する電流センサ９をインバータ４と３相巻線２とを結ぶラインに介装しているが、故障を検出する手段はこれに限られず、例えばインバータ４を構成するトランジスタ等の素子の両端電圧を電圧センサで測定して故障を検出するようにしてもよく、上記実施形態の電流センサ９及び上記電圧センサを使用して検出してもよい。
【００５０】
また、上記実施形態では、３相巻線２全体として故障が検出された後に故障した相の判別を行うようにしているが、３相巻線２の各相毎に故障を検出するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１  ブラシレスモータ
２  ３相巻線
２ａ  中性点
４  インバータ
６ａ  中性点
８  中性線
９  電流センサ（故障検出手段）
１０  コントローラ
【図１】
2012222881.tif 000011
【図２】
2012222881.tif 000012
【図３】
2012222881.tif 000013
【図４】
2012222881.tif 000014
【図５】
2012222881.tif 000015
【図６】
2012222881.tif 000016
【図７】
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