JP2013223371A - モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 直流電源と接続されていない状態で、外力による回転でモータが発生する逆起電圧から駆動部のスイッチング素子を保護するモータ駆動装置を提供する。
【解決手段】 モータ駆動装置１０１は、逆起電圧検出部７１、７２、７３および保護制御部６０１を備える。逆起電圧検出部７１、７２、７３が検出した電圧がツェナーダイオード６４の閾値電圧Ｖｔを越えると、検出信号線６１、６２、６３を経由して電圧信号が感応ゲート５４１、５５１、５６１に入力され、下アームのスイッチング素子５４、５５、５６を逐次オンする。その結果、駆動部５０に印加された逆起電圧による電流は、オン状態の下アームのスイッチング素子を通ってグランドへ流れる。これにより、外力によるモータ８０の回転に対しブレーキトルクをかけた状態となるため、逆起電圧が低下する。よって、駆動部５０のスイッチング素子を過電圧から保護することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータを駆動するモータ駆動装置に関する。

従来、複数のスイッチング素子から構成される駆動部を備えたモータ駆動装置が知られている。例えば、直流電力を三相交流電力に変換するインバータ回路を駆動部に含み、三相交流モータを駆動するものがある。
ここで、例えば車両の電動パワーステアリング装置において操舵アシストモータを駆動するモータ駆動装置では、修理工場やディーラで、イグニションオフの状態で車両をジャッキアップしてハンドルを回す状況が想定される。このような場合、モータが発電機として動作し、モータに逆起電圧が発生する。さらに、このモータ駆動装置が、イグニションスイッチをオフしたとき直流電源と駆動部とを遮断する場合には、発生した逆起電圧を直流電源側に回生させることができない。すると、逆起電圧が駆動部に印加され、過電圧によりスイッチング素子の誤動作や破損を招くおそれがある。

そこで、特許文献１には、駆動部とモータとの間の各相にモータリレーを設けた構成が開示されている。このモータリレーは、イグニションオフのとき開放し駆動部とモータとの電気的接続を遮断する。したがって、イグニションオフの状態でハンドルを回し、モータに逆起電圧が発生しても逆起電圧が駆動部に印加されないため、駆動部のスイッチング素子を過電圧から保護することができる。

特開２０１０−２５４１２８号公報

特許文献１の構成では、駆動部とモータとの間の各相にスイッチング素子またはメカリレーによるモータリレーを設ける必要があり、装置の体格、部品点数、コスト等の観点から望ましくない。また、モータリレーが短絡故障した場合には、モータリレーが無い状態と変わりがなくなる。したがって、駆動部のスイッチング素子を逆起電圧から保護することができない。

本発明は上述の課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、イグニションオフ、すなわち直流電源と接続されていない状態で、外力による回転でモータが発生する逆起電圧から駆動部のスイッチング素子を保護するモータ駆動装置を提供することにある。

本発明は、駆動部、電源遮断部、駆動制御部を備えるモータ駆動装置において、逆起電圧検出部および保護制御部を備えることを特徴としている。
駆動部は、ブリッジ回路の上アームおよび下アームを構成する複数のスイッチング素子を有し、直流電源の電力を変換して複数相のモータを駆動する。
電源遮断部は、直流電源と駆動部との間の電気的接続を遮断可能である。
駆動制御部は、駆動部がモータを駆動するとき複数のスイッチング素子をオンオフ制御し、電源遮断部が遮断されたとき複数のスイッチング素子をオフする。
逆起電圧検出部は、モータに逆起電圧が発生したことを相毎に検出する。
保護制御部は、電源遮断部が遮断された状態で逆起電圧検出部によっていずれかの相で逆起電圧が検出されたとき、駆動部の下アームを構成するスイッチング素子のうち少なくとも逆起電圧が発生した相のスイッチング素子をオンする。

ここで、保護制御部は、電源遮断部が遮断された状態で逆起電圧検出部によっていずれかの相で逆起電圧が検出されたとき、逆起電圧が発生した相の下アームのスイッチング素子を逐次オンしてもよい。或いは、全ての相の下アームのスイッチング素子をオンしてもよい。

その結果、駆動部に印加された逆起電圧による電流は、下アームのスイッチング素子のうち、オン状態のスイッチング素子を通ってグランドへ流れる。これにより、外力によるモータの回転に対しブレーキトルクをかけた状態となるため、逆起電圧が低下する。よって、駆動部のスイッチング素子を過電圧から保護することができる。

本発明の第１実施形態によるモータ駆動装置の模式図である。 本発明の第１実施形態によるモータ駆動装置を適用した電動パワーステアリング装置の概略構成図である。 本発明の第１実施形態によるモータ駆動装置の駆動部保護処理のフローチャートである。 本発明の第２実施形態によるモータ駆動装置の模式図である。 本発明の第２実施形態によるモータ駆動装置の駆動部保護処理のフローチャートである。 比較例のモータ駆動装置の逆起電圧発生時のフローチャートである。

以下、本発明によるモータ駆動装置を車両の電動パワーステアリング装置に適用した実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態のモータ駆動装置について、図１〜図３を参照して説明する。

図２に示すように、電動パワーステアリング装置１は、運転者による操舵トルクを補助するための操舵アシストトルクをステアリングシャフト９２に提供する。
ハンドル９１に接続されたステアリングシャフト９２には、操舵トルクを検出するためのトルクセンサ９４が設置されている。ステアリングシャフト９２の先端にはピニオンギア９６が設けられており、ピニオンギア９６はラック軸９７に噛み合っている。ラック軸９７の両端には、タイロッド等を介して一対の車輪９８が回転可能に連結されている。ステアリングシャフト９２の回転運動は、ピニオンギア９６によってラック軸９７の直線運動に変換され、ラック軸９７の直線運動変位に応じた角度について一対の車輪９８が操舵される。

電動パワーステアリング装置１は、操舵アシストトルクを発生する操舵アシストモータ８０、モータ８０の回転出力を減速してステアリングシャフト９２に伝達する「動力伝達手段」としての減速ギア９５、及び、モータ８０を駆動するモータ駆動装置１０１から構成される。なお、本実施形態のモータ８０は三相交流ブラシレスモータである。

図１に示すように、モータ駆動装置１０１は、イグニションスイッチ３０、駆動制御部４０、駆動部５０、保護制御部６０１を備えており、「直流電源」としてのバッテリ２０から供給された電力を変換してモータ８０を駆動する。
「電源遮断部」としてのイグニションスイッチ３０は、車両の停止時等にオフされたとき、バッテリ２０と駆動部５０との間の電気的接続を遮断する。
駆動制御部４０は、イグニションスイッチ３０がオンのとき、駆動部５０のスイッチング素子５１〜５８のオンオフを制御することでインバータ回路を駆動する。

駆動部５０は、三相インバータ回路の上下アームを構成する６個のスイッチング素子５１〜５６、及び、電源リレーを構成する２個のスイッチング素子５７、５８の計８個のスイッチング素子を含む。スイッチング素子５１〜５８は、例えばＭＯＳＦＥＴ、すなわち金属酸化物半導体電界効果トランジスタである。

電源リレー用のスイッチング素子５７、５８は、バッテリ２０とインバータ回路との間の電源ラインＬｓに、寄生ダイオードが互いに逆向きになるように直列に接続される。
電源リレー用のスイッチング素子５７、５８は、インバータ回路を駆動中に上下アームのスイッチング素子５１〜５６が故障した場合等、駆動制御部４０からの指令によりオフし、バッテリ２０からインバータ回路への電力供給を遮断する。スイッチング素子５７、５８は、寄生ダイオードが互いに逆向きに接続されているため、仮にバッテリ２０が逆接続された場合でも、スイッチング素子５７、５８を共にオフしたとき、寄生ダイオードを経由して電流が流れることを防止する。

上アームのスイッチング素子５１、５２、５３は、ドレインが電源ラインＬｓに接続されている。また、上アームのスイッチング素子５１、５２、５３のソースは、下アームのスイッチング素子５４、５５、５６のドレインに接続されている。下アームのスイッチング素子５４、５５、５６のソースは、接地されている。上アームのスイッチング素子５１、５２、５３と下アームのスイッチング素子５４、５５、５６との接続点は、それぞれ、動力線Ｌｕ、Ｌｖ、Ｌｗを経由して、モータ８０を構成する巻線８１、８２、８３の一端に接続されている。動力線Ｌｕ、Ｌｖ、Ｌｗには、モータ８０に逆起電圧が発生したことを相毎に検出する逆起電圧検出部７１、７２、７３が設けられている。

スイッチング素子５１〜５６は、駆動制御部４０からゲートに出力されるスイッチング信号によってオンオフし、モータ８０への通電を切り替える。これにより、インバータ回路は、バッテリ２０から供給される直流電力を三相交流電力に変換してモータ８０を駆動する。また、イグニションスイッチ３０がオフしたとき、駆動制御部４０は、全てのスイッチング素子５１〜５６をオフする。
本実施形態では、下アームのスイッチング素子５４、５５、５６のゲートを、特に感応ゲート５４１、５５１、５６１という。

保護制御部６０１は、相毎に、検出信号線６１、６２、６３、「閾値電圧設定手段」としてのツェナーダイオード６４、「接続手段」としての地絡スイッチ６６、及び抵抗６７等を有している。
検出信号線６１、６２、６３は、各相の感応ゲート５４１、５５１、５６１と逆起電圧検出部７１、７２、７３とを接続している。
ツェナーダイオード６４は、検出信号線６１、６２、６３上に設けられ、アノードが感応ゲート５４１、５５１、５６１に、カソードが逆起電圧検出部７１、７２、７３に接続されている。

地絡スイッチ６６は、感応ゲート５４１、５５１、５６１とグランドとの間に抵抗６７を介して接続されている。地絡スイッチ６６は、イグニションスイッチ３０と連動してオンオフする。すなわち、図１に示すイグニションスイッチ３０のオフ状態では閉作動すなわち導通し、イグニションスイッチ３０のオン状態では開作動すなわち遮断する。

これにより、イグニションスイッチ３０をオンしてインバータ回路を駆動するときは、地絡スイッチ６６は遮断しているため、インバータ回路の駆動に影響しない。一方、イグニションスイッチ３０をオフしたときには、地絡スイッチ６６が導通することで、以下に説明するように機能する。

保護制御部６０１の作用について説明する。保護制御部６０１は、主として停車中等のイグニションスイッチ３０をオフしたときに機能する。
逆起電圧検出部７１、７２、７３側の電圧がツェナーダイオード６４の閾値電圧Ｖｔより小さいとき、逆起電圧検出部７１、７２、７３側から感応ゲート５４１、５５１、５６１側への電流は流れない。しかし、後述するようにモータ８０に逆起電圧が発生し、逆起電圧検出部７１、７２、７３側の電圧がツェナーダイオード６４の閾値電圧Ｖｔを越えると、検出信号線６１、６２、６３を経由して感応ゲート５４１、５５１、５６１側へ電流が流れる。

これにより、感応ゲート５４１、５５１、５６１に電圧信号が入力され、下アームのスイッチング素子５４、５５、５６をオンする。それとともに、電流は、閉状態の地絡スイッチ６６を経由してグランドへ流れるため、感応ゲート５４１、５５１、５６１に過大な電圧がかかることを防止することができる。言い換えれば、感応ゲート５４１、５５１、５６１に適切な大きさの電圧信号が入力されるように、抵抗６７の値が設定される。

次に、モータ駆動装置１０１全体の作用効果について比較例と対比しつつ説明する。
比較例の構成は、図１に示す第１実施形態の構成から保護制御部６０１を取り除いたものとし、第１実施形態との共通の構成については符号を援用する。この比較例において、モータ駆動装置が駆動していない状態で、モータが外力によって回転され、発電機として動作する状況を想定する。例えば、電動パワーステアリング装置の場合、修理工場やディーラで、イグニションオフの状態で車両をジャッキアップし、ハンドルを回した場合がこれに該当する。

図６は、このような状況で起こり得る事象をフローチャート形式で表したものであり、何ら積極的な処理が実行されているわけではない。以下、記号Ｓは「ステップ」を示す。
図６のＳ１１ではイグニションスイッチ３０をオフする。その後、Ｓ１３で外力によりモータ８０が回転すると、Ｓ１４で逆起電圧が上昇し、Ｓ１８で逆起電圧が駆動部５０のスイッチング素子に印加される。ここで、比較例では逆起電圧に対して何ら防御機能を有していないため、Ｓ１９で、例えば、インバータ回路側の電源リレー用スイッチング素子５８等の素子において誤動作や破損が発生するおそれがある。

これに対し、本実施形態のモータ駆動装置１０１は、上述の構成に基づき、図３に示す「駆動部保護処理」を実行する。図３において、Ｓ１１の後、Ｓ１２で地絡スイッチ６６がオン（導通）する。Ｓ１３、Ｓ１４は比較例と同様である。
Ｓ１４にて逆起電圧検出部７１、７２、７３で閾値電圧を超える逆起電圧が検出されると、逆起電圧が検出された相の感応ゲート５４１、５５１、５６１に電圧信号が入力される。そして、Ｓ１５Ａ「逆起電圧が上昇した相の下アームのスイッチング素子がオン」が実行される。Ｓ１５Ａが実行されることで、電流は、下アームのスイッチング素子５４、５５、５６のうち、オン状態のスイッチング素子を通ってグランドへ流れる。これにより逆起電圧が低下するため、駆動部５０のスイッチング素子を過電圧から保護することができる（Ｓ１６Ａ）。

電圧が閾値以下に減少すると、スイッチング素子がオフし（Ｓ１７）、再び逆起電圧が上昇する（Ｓ１４）。逆起電圧が閾値を超えると、下アームのスイッチング素子が再びオンする（Ｓ１５Ａ）。このように、駆動部保護処理のステップが繰り返される。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態のモータ駆動装置について、図４、図５を参照して説明する。第２実施形態のモータ駆動装置１０２は、第１実施形態に対し保護制御部の構成のみが異なる。以下の実施形態の説明において、前述の実施形態と実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

図４に示すように、第２実施形態の保護制御部６０２は、ツェナーダイオード６４のアノード側に、各相の信号検出線５１、５２、５３に跨って信号分配部６５が設けられる。いずれかの相の逆起電圧検出部７１、７２、７３で閾値電圧を超える逆起電圧が検出されたとき、信号分配部６５を通して、全ての相の感応ゲート５４１、５５１、５６１に電圧信号が入力される。

これにより、図５のフローチャートに示すように、モータ駆動装置１０２による駆動部保護処理では、第１実施形態のステップ１５Ａ、１６Ａにおける「逆起電圧が上昇した相の下アームのスイッチング素子」を「全ての相の下アームのスイッチング素子」に代えたステップ１５Ｂ、１６Ｂが実行される。
第２実施形態では、第１実施形態と同様、逆起電圧を低下させることで、駆動部５０のスイッチング素子を過電圧から保護することができる。

（その他の実施形態）
（ア）ブリッジ回路は、三相インバータ回路に限らず、４つのスイッチング素子から構成されるハーフブリッジ回路であってもよい。ハーフブリッジ回路は、例えば、ブラシ付モータ用の駆動装置に適用される。また、四相以上のインバータ回路であってもよい。
（イ）閾値電圧設定手段は、ツェナーダイオードに限らず、種々の形態で実施することができる。

（ウ）半導体スイッチング素子は、寄生ダイオードを付随するものであれば、ＭＯＳＦＥＴ以外の素子であってもよい。
（エ）本発明のモータ駆動装置は、電動パワーステアリング装置の操舵アシストモータに限らず、他のモータ用のモータ駆動装置として適用されてもよい。
以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。

１０１、１０２ ・・・モータ駆動装置、
２０ ・・・バッテリ（直流電源）、
３０ ・・・イグニションスイッチ（電源遮断部）、
４０ ・・・駆動制御部、
５０ ・・・駆動部、
５１〜５６ ・・・スイッチング素子、
６０１、６０２ ・・・保護制御部、
７１、７２、７３ ・・・逆起電圧検出部、
８０ ・・・モータ。

Claims (4)

1. ブリッジ回路の上アームおよび下アームを構成する複数のスイッチング素子（５１〜５６）を有し、直流電源（２０）の電力を変換して複数相のモータ（８０）を駆動する駆動部（５０）と、
   前記直流電源と前記駆動部との間の電気的接続を遮断可能な電源遮断部（３０）と、
   前記駆動部が前記モータを駆動するとき前記複数のスイッチング素子をオンオフ制御し、前記電源遮断部が遮断されたとき前記複数のスイッチング素子をオフする駆動制御部（４０）と、
   前記モータに逆起電圧が発生したことを相毎に検出する逆起電圧検出部（７１、７２、７３）と、
   前記電源遮断部が遮断された状態で前記逆起電圧検出部によっていずれかの相で逆起電圧が検出されたとき、前記駆動部の下アームを構成するスイッチング素子のうち少なくとも逆起電圧が発生した相のスイッチング素子をオンする保護制御部（６０１、６０２）と、
   を備えることを特徴とするモータ駆動装置（１０１、１０２）。
2. 前記保護制御部（６０２）は、前記電源遮断部が遮断された状態で前記逆起電圧検出部によっていずれかの相で逆起電圧が検出されたとき、前記駆動部の下アームを構成する全ての相のスイッチング素子をオンすることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置（１０２）。
3. 前記保護制御部は、
   前記駆動部の下アームを構成するスイッチング素子のゲートである感応ゲート（５４１、５５１、５６１）と前記逆起電圧検出部とを接続する検出信号線（６１、６２、６３）と、
   前記逆起電圧検出部が検出した逆起電圧について所定の閾値電圧を設定する閾値電圧設定手段（６４）と、
   前記電源遮断部が遮断されたとき、前記感応ゲートとグランドとを抵抗（６７）を介して電気的に接続する接続手段（６６）と、
   を含み、
   前記保護制御部は、前記電源遮断部が遮断された状態で前記逆起電圧検出部によっていずれかの相で前記閾値電圧を超える逆起電圧が検出されたとき、前記検出信号線を経由して電圧信号が前記感応ゲートに入力されることにより、対応する前記スイッチング素子をオンすることを特徴とする請求項１または２に記載のモータ駆動装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のモータ駆動装置と、
   前記モータ駆動装置によって駆動され、運転者の操舵力を補助する操舵アシストトルクを発生する操舵アシストモータ（８０）と、
   前記操舵アシストモータの回転をステアリングシャフトに伝達する動力伝達手段（９５）と、
   を備えることを特徴とする電動パワーステアリング装置（１）。

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