JP2010252573A - Method of detecting temperature of inverter, control method, and control unit of variable magnetic flux motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はインバータの温度検出方法及び可変磁束モータの制御装置に関し、インバータにおける温度検出性能を向上し、動作上の信頼性と、該インバータで駆動される可変磁束モータの制御の安定化を得るものである。 The present invention relates to an inverter temperature detection method and a control device for a variable magnetic flux motor, and improves the temperature detection performance in the inverter to obtain operational reliability and stabilization of control of the variable magnetic flux motor driven by the inverter. It is.
半導体素子の接合部の温度検出装置として、特許文献1に開示された技術がある。この技術は、半導体素子に温度測定用のダイオードを付加している。温度検出回路が、温度測定用のダイオードの順方向電圧降下の温度特性に基づいて、ダイオードの位置の測定温度データを検出している。一方、電流検出回路が、前記半導体素子の電流センス用エミッタに流れるセンス電流を測定している。演算部が、前記センス電流値に基づいて、補正温度データを算出し、前記測定温度データに加算して、接合部温度データを取得している。
There is a technique disclosed in
上記の技術は温度測定用のダイオードから導出された出力端子の電圧と電流センス用エミッタに流れるセンス電流に基づいて、推定接合部温度データを得ている。したがって、推定接合部温度データが得られたときは、半導体素子パッケージの全体的な熱容量などが総合された結果のものである。この場合は、ダイオードと被測定半導体電力素子のジャンクション部間の熱抵抗、熱容量などの過渡的要素に関しては考慮されていない。 The above technique obtains estimated junction temperature data based on the output terminal voltage derived from the temperature measuring diode and the sense current flowing through the current sensing emitter. Therefore, when the estimated junction temperature data is obtained, it is a result of the overall heat capacity of the semiconductor device package being integrated. In this case, no consideration is given to transient factors such as thermal resistance and thermal capacity between the junctions of the diode and the semiconductor power device to be measured.
ところで、最近ではインバータの小型化と低価格化が要望されている。特にハイブリッド自動車、電気自動車に適用するインバータは小型化と低価格化が要望されている。一方、可変磁束モータの磁力を切り替えるためには、小型化されたインバータにとっては、パワーを得るために該インバータに定格以上の電流を瞬時に流す必要がある。ここでインバータに用いられる半導体電力素子において、温度が異常に高い状態で定格以上の電流を瞬時に流すと破壊されることになる。このような問題を解決するためには、半導体電力素子の温度を精度良く測定し、監視する必要がある。 Recently, there has been a demand for downsizing and lowering the price of inverters. In particular, an inverter applied to a hybrid vehicle and an electric vehicle is required to be reduced in size and price. On the other hand, in order to switch the magnetic force of the variable magnetic flux motor, it is necessary for a miniaturized inverter to instantaneously pass a current exceeding the rated value through the inverter in order to obtain power. Here, in a semiconductor power element used for an inverter, if a current exceeding the rating is instantaneously passed in a state where the temperature is abnormally high, the semiconductor power element is destroyed. In order to solve such a problem, it is necessary to accurately measure and monitor the temperature of the semiconductor power element.
そこでこの発明は、インバータの半導体電力素子の温度に対する過渡的要素をさらに細かく解析し、温度変化を精度良く推定することができ、インバータの動作上の安全性と信頼性と、モータ制御の安定化を得るインバータの温度検出方法及び可変磁束モータを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention can further analyze the transient element with respect to the temperature of the semiconductor power element of the inverter and estimate the temperature change with high accuracy, and the operational safety and reliability of the inverter and the stabilization of the motor control. It is an object to provide an inverter temperature detection method and a variable magnetic flux motor.
上記の課題を解決するために、本発明は半導体電力素子の接合部と温度測定用のオンチップセンサ間の熱抵抗と熱容量を含むモデル化回路を定義し、前記オンチップセンサの直接出力に応答する前記モデル化回路の出力を推定損失とし、この推定損失分を前記オンチップセンサの前記直接出力に加算して推定測定温度データとすることを特徴とする。 To solve the above problems, the present invention defines a modeling circuit including a thermal resistance and a heat capacity between a junction of a semiconductor power element and an on-chip sensor for temperature measurement, and responds to the direct output of the on-chip sensor. The output of the modeling circuit is an estimated loss, and the estimated loss is added to the direct output of the on-chip sensor to obtain estimated measurement temperature data.
上記した解決手段によると、モデル化回路を定義することでインバータの半導体電力素子の温度に対する過渡的要素をさらに細かく解析することができ、半導体電力素子の接合部の温度変化を精度良く推定することができ、インバータの動作上の安全性と信頼性を得ることができる。 According to the above solution, by defining the modeling circuit, the transient element with respect to the temperature of the semiconductor power element of the inverter can be analyzed in more detail, and the temperature change of the junction part of the semiconductor power element can be accurately estimated. Therefore, operational safety and reliability of the inverter can be obtained.
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。図1は本発明の一実施例を示しており、本発明が適用されたインバータの半導体電力素子周辺を示している。この半導体電力素子111は、絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ(以下IGBTと略称)であり、ゲートスイッチ回路112からの制御信号によりオンオフ制御される。113は電源ラインである。ここで、半導体電力素子111は、その接合部温度が温度センサ121により測定される。この温度センサ121は、PN接合ダイオードであり、順方向電圧降下が温度特性をもつことを利用している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. FIG. 1 shows an embodiment of the present invention, and shows the periphery of a semiconductor power element of an inverter to which the present invention is applied. The
なお、図1は代表的な基本構成を示したものであり、インバータ内の複数の半導体電力素子のそれぞれに対する温度センサが設けられる。 FIG. 1 shows a typical basic configuration, and a temperature sensor is provided for each of a plurality of semiconductor power elements in the inverter.
温度センサ121の出力は、温度情報処理部122に入力される。この温度情報処理部122により、半導体電力素子11の接合部の温度が精度良く測定できるようになっている。精度を上げるために、次のような点が工夫されている。
The output of the
まず、温度センサ121と半導体電力素子11との間の配置関係により、測定温度には差が生じる。そこで、本発明では、図1の点線で示すような空間(絶縁材などが存在する部分)に対応するモデル化回路30を設計している。このモデル化回路130は、熱損失となるIGBT推定損失を含む。
First, due to the arrangement relationship between the
図2はモデル化回路130のイメージ構成例を示している。例えば熱抵抗と熱容量を電気抵抗とコンデンサに置き換えている。そして抵抗とコンデンサの並列回路を直列に複数接続したものをモデル化回路130としている。入力部130aには温度センサ121からの出力が接合部温度データとして入力される。そして出力部130bには、接合部温度データがモデル化回路130により補正されて補正用の温度データとして出力される。
FIG. 2 shows an image configuration example of the
上記のモデル化回路130は、実際には演算回路であり、図3のように温度情報処理部122内に組み込まれている。温度センサ121からの出力は、端子23aを介して、モデル化回路130と加算器124に入力される。モデル化回路130から出力される補正用の温度データは、加算器124に入力される。加算器124の出力は、出力端子123bに導出される。
The
ここでモデル化回路130は、その出力に熱損失が復元して反映されるように、IGBT推定損失パラメータに基づいて抵抗及び容量の設計がなされている。熱損失は、大まかに分類すると、導通損失Pon、スイッチング損失Pswに対応させて分類することができる。
Here, the
導通損失: Pon=Ic×Vce
スイッチング損失: Psw=(Eon+Eoff)×fsw
全体損失: Ploss=Pon+Psw
Ic:コレクタ電流(A)、
Vce:コレクタエミッタ間電圧(V)
Eon:オフからオンへの導通電圧
Eoff:オンからオフへの導通電圧
fsw:スイッチング周波数
上記の損失Plossは、IGBTの定格値と、使用条件(周波数など)により計算される。したがって、モデル化回路130は、上記の計算式の可変要素(電圧、電流、周波数)に応じて、Plossが得られるように、抵抗及び容量の係数が予め設定されている。
Conduction loss: Pon = Ic × Vce
Switching loss: Psw = (Eon + Eoff) × fsw
Total loss: Ploss = Pon + Psw
Ic: Collector current (A),
Vce: Collector-emitter voltage (V)
Eon: Conduction voltage from off to on
Eoff: conduction voltage from on to off fsw: switching frequency The above loss Ploss is calculated by the rated value of the IGBT and the use conditions (frequency, etc.). Therefore, in the
上記したように、本発明では、被測定素子である半導体電力素子の接合部とオンチップセンサである温度センサ間の熱抵抗と熱容量を含むモデル化回路を定義している。そして、前記温度センサの直接出力に応答する前記モデル化回路の出力を推定損失(補正用の温度データ)とし、この推定損失を前記温度センサの前記直接出力に加算して推定測定温度データとしている。 As described above, in the present invention, a modeling circuit including a thermal resistance and a heat capacity between a junction part of a semiconductor power element as an element to be measured and a temperature sensor as an on-chip sensor is defined. Then, the output of the modeling circuit responding to the direct output of the temperature sensor is used as an estimated loss (temperature data for correction), and this estimated loss is added to the direct output of the temperature sensor to obtain estimated measured temperature data. .
図4は、上記モデル化回路130を取り込んだ温度情報処理部122の使用例であり、インバータへ利用した例を示している。入力端子123aには接合部温度データが入力される。この接合部温度データは、比例定数演算部141に入力されるとともに、減算器142に入力される。比例定数演算部141は、先のモデル化回路130の総抵抗値に対応する。
FIG. 4 shows an example of use of the temperature
減算器142では、接合部上限温度データから入力した接合部温度データが減算されて出力される。つまり、減算器142の出力は、許容できる温度に対して、現在検出した温度がどの程度近づいているかを示している。
In the
この減算器142の出力は、所定の時間ごとに積算を繰り返す積分定数演算部143に入力される。この積分定数演算部143は、先のモデル化回路130の総容量値に対応する。積分値には制限が与えられている。積分値は、減算器44に入力される。減算器144は、比例定数演算部141の出力から、積分定数演算部143の出力を減算している。そして減算器144の出力は、補正部145に入力される。補正部145は、インバータに流れる電流を指令する指令電流から、減算器144からの出力を減算し、修正指令電流を出力している。
The output of the
つまり比例定数演算部141の出力は、半導体電力素子の接合温度が上昇したのに比例して、インバータの電流を抑制する方向へ働いている。つまり半導体電力素子の接合部温度は、測定温度以上に上昇していることが推定(モデル化回路により制度良く推定)されるので、半導体電力素子の電流を抑制する方向へ働いている。
That is, the output of the proportionality
しかし過度な抑制にならないように、積分定数演算部143の出力(積分値)により電流抑制が緩和される。つまり、この実施例では、積分定数演算部143の出力(積分値)を比例定数演算部41の出力(比例値)から減算処理することで電流抑制を緩和している。 However, the current suppression is relaxed by the output (integrated value) of the integral constant calculation unit 143 so as not to be excessively suppressed. That is, in this embodiment, the current suppression is alleviated by subtracting the output (integral value) of the integral constant calculator 143 from the output (proportional value) of the proportional constant calculator 41.
この場合、積分定数演算部143は、限界まで許容できる温度データ(減算器142の出力)を積分しているので、電流抑制を緩和することは、ジャンクション温度の限界までIGBTを使用できることに相当する。 In this case, the integral constant calculation unit 143 integrates temperature data (output of the subtractor 142) that can be tolerated up to the limit. Therefore, mitigating the current suppression corresponds to using the IGBT up to the junction temperature limit. .
図5は、上記の温度情報処理部122の動作特性を説明する図である。(A)は、接合部温度の変化を示し、(B)は、比例定数演算部141出力と積分定数演算部143の出力を示している。(C)は指令電流が変化する様子を示している。接合部の温度上昇に伴い温度推定動作が開始され、これに伴い指令電流に対する電流抑制が行われていることが理解される。
FIG. 5 is a diagram illustrating the operating characteristics of the temperature
図6はこの発明が適用された可変磁束モータのドライブシステムを示している。まず同図を説明する前に、永久磁石同期電動機としての可変磁束モータについて説明する。 FIG. 6 shows a drive system for a variable magnetic flux motor to which the present invention is applied. First, before explaining the figure, a variable magnetic flux motor as a permanent magnet synchronous motor will be explained.
図7は、可変磁束モータ1を簡単なイメージとしてモデル化したものである。ステータ側は従来のモータと同様と考えてよい。ロータ51側には永久磁石として、磁性体の磁束密度が固定の固定磁石FMGと、磁性体の磁束密度が可変の可変磁石VMGとがある。従来の永久磁石同期電動機(PMモータ)は、前者の固定磁石FMGのみであるのに対して、この実施例での可変磁束モータ1は、可変磁石VMGが備わっている。
FIG. 7 is a model of the variable
ここで固定磁石や可変磁石について、説明を加える。永久磁石とは、その磁束量が一定不変なものではなく、通常の定格運転中に近い状態ではインバータ等から供給される電流によって磁束密度が概ね変化しないもののことを指す。一方、前述の磁束密度が可変である永久磁石、つまり、可変磁石とは、上記のような運転条件においてもインバータ等で流し得る電流によって磁束密度が変化するものを指す。このような可変磁石は、磁性体の材質や構造に依存して、ある程度の範囲で設計が可能である。 Here, description is added about a fixed magnet and a variable magnet. The permanent magnet means that the amount of magnetic flux is not constant and the magnetic flux density is not substantially changed by a current supplied from an inverter or the like in a state close to normal rated operation. On the other hand, the above-described permanent magnet having a variable magnetic flux density, that is, a variable magnet refers to a magnet whose magnetic flux density changes due to a current that can be passed through an inverter or the like even under the above operating conditions. Such a variable magnet can be designed within a certain range depending on the material and structure of the magnetic material.
最近のPMモータは、残留磁束密度Brの高いネオジム(NdFeB)磁石を用いることが多い。この磁石の場合、残留磁束密度Brが1.2T程度と高いため、大きなトルクを小さい装置サイズにて出力可能であり、モータの高出力小型化が求められるハイブリッド車HEVや電車には好適である。従来のPMモータの場合、通常の電流によって減磁しないことが要件であるが、このネオジム磁石(NdFeB)は約1000kA/mの非常に高い保持力Hcを有しているので、PMモータ用に最適な磁性体である。PMモータ用には、残留磁束密度が大きく、保磁力の大きい磁石が選定されるためである。 Modern PM motors often use neodymium (NdFeB) magnets with a high residual magnetic flux density Br. In the case of this magnet, since the residual magnetic flux density Br is as high as about 1.2 T, it is possible to output a large torque with a small device size, and it is suitable for a hybrid vehicle HEV or a train that requires a high output and a small motor. . In the case of a conventional PM motor, it is a requirement that it is not demagnetized by a normal current. However, this neodymium magnet (NdFeB) has a very high holding force Hc of about 1000 kA / m. It is an optimal magnetic material. This is because a magnet having a large residual magnetic flux density and a large coercive force is selected for the PM motor.
一方、残留磁束密度が高く、保持力Hcの小さいアルニコAlNiCo(Hc=60〜120kA/m)やFeCrCo磁石(Hc=約60kA/m)といった磁性体を可変磁石とする。通常の電流量(インバータによって従来のPMモータを駆動する際に流す程度の電流量という意味)によって、ネオジム磁石の磁束密度(磁束量)はほぼ一定であるが、アルニコAlNiCo磁石などの可変磁石の磁束密度(磁束量)は可変となる。 On the other hand, a magnetic material such as Alnico AlNiCo (Hc = 60 to 120 kA / m) or FeCrCo magnet (Hc = about 60 kA / m) having a high residual magnetic flux density and a small coercive force Hc is used as a variable magnet. The magnetic flux density (the amount of magnetic flux) of a neodymium magnet is almost constant depending on the normal amount of current (meaning the amount of current that flows when a conventional PM motor is driven by an inverter), but a variable magnet such as an Alnico AlNiCo magnet The magnetic flux density (magnetic flux amount) is variable.
厳密に言えば、ネオジム磁石は可逆領域で利用しているため、微小な範囲で磁束密度が変動するが、インバータ電流がなくなれば当初の値に戻る。他方、可変磁石は不可逆領域まで利用するため、インバータ電流がなくなっても当初の値にならない。図7における可変磁石VMGであるアルニコ磁石の磁束量も、D軸方向の量が変動するだけで、Q軸方向はほぼ0である。 Strictly speaking, since the neodymium magnet is used in the reversible region, the magnetic flux density fluctuates within a very small range, but returns to the original value when the inverter current disappears. On the other hand, since the variable magnet is used up to the irreversible region, the initial value is not obtained even if the inverter current is lost. The amount of magnetic flux of the alnico magnet, which is the variable magnet VMG in FIG. 7, is almost zero in the Q-axis direction only by the amount in the D-axis direction changing.
図8は、可変磁束モータ1の具体的な構成例を示している。回転子(ロータ)51は、回転子鉄心52中に、ネオジム磁石(NdFeB)などの高保磁力の永久磁石54とアルニコ磁石(AlNiCo)などの低保磁力の永久磁石53とを組み合わせて配置した構成である。可変磁石VMGである低保磁力永久磁石53は、回転子鉄心52の磁極部55の両側に、それぞれ隣接する磁極部55との境界域に径方向に配置してある。固定磁石FMGである高保磁力磁石54は、回転子鉄心52の磁極部55において径に直交する方向に配置してある。この構造により、可変磁石VMGである低保磁力永久磁石53はQ軸方向とその磁化方向が直交するため、Q軸電流の影響を受けず、D軸電流によって磁化される。
FIG. 8 shows a specific configuration example of the variable
図9は固定磁石と可変磁石のBH特性(磁束密度−磁化特性)を例示している。また、図10は、図9の第2象限のみを定量的に正しい関係にて示したものである。さらに種々の材料のBH特性を示している。 FIG. 9 illustrates the BH characteristics (magnetic flux density-magnetization characteristics) of the fixed magnet and the variable magnet. FIG. 10 shows only the second quadrant of FIG. 9 in a quantitatively correct relationship. Furthermore, BH characteristics of various materials are shown.
ネオジム磁石とアルニコ磁石の場合、それらの残留磁束密度Br1,Br2には有意差はないが、保磁力Hc1,Hc2については、ネオジム磁石(NdFeB)のHc2に対し、アルニコ磁石(AlNiCo)のHc1は1/15〜1/8、FeCrCo磁石のHc1は1/15になる。 In the case of a neodymium magnet and an Alnico magnet, there is no significant difference between their residual magnetic flux densities Br1 and Br2, but for the coercive forces Hc1 and Hc2, Hc1 of the Alnico magnet (AlNiCo) is equal to Hc2 of the neodymium magnet (NdFeB). From 1/15 to 1/8, the Hc1 of the FeCrCo magnet is 1/15.
従来のPMモータドライブシステムにおいて、インバータの出力電流による磁化領域は、ネオジム磁石(NdFeB)の保磁力より十分に小さく、その磁化特性の可逆範囲で利用されている。しかしながら、可変磁石は、保磁力が上述のように小さいため、インバータの出力電流の範囲において、不可逆領域(電流を0にしても、電流印加前の磁束密度Bに戻らない)での利用が可能で、磁束密度(磁束量)を可変にすることができる。 In the conventional PM motor drive system, the magnetization region due to the output current of the inverter is sufficiently smaller than the coercive force of the neodymium magnet (NdFeB), and is utilized in the reversible range of its magnetization characteristics. However, since the coercive force of the variable magnet is small as described above, it can be used in the irreversible region (even if the current is zero, it does not return to the magnetic flux density B before the current application) in the inverter output current range. Thus, the magnetic flux density (magnetic flux amount) can be made variable.
可変磁束モータ1の動特性の等価簡易モデルを、(1)式に示す。同モデルは、D軸を磁石磁束方向、Q軸をD軸に直行する方向として与えたDQ軸回転座標系上のモデルである。
ここに、R1:巻線抵抗、Ld:D軸インダクタンス、Lq:Q軸インダクタンス、Φfix:固定磁石の磁束量、Φvar:可変磁石の磁束量、ω1:インバータ周波数である。 Here, R1: winding resistance, Ld: D-axis inductance, Lq: Q-axis inductance, Φfix: amount of magnetic flux of the fixed magnet, Φvar: amount of magnetic flux of the variable magnet, and ω1: inverter frequency.
図6には、第1の実施の形態の可変磁束ドライブシステムの主回路及び制御回路を示してある。主回路は、直流電源3、直流電力を交流電力に変換するインバータ4、このインバータ4の交流電力(駆動電流)にて駆動される可変磁束モータ1にて構成されている。そして、主回路には、モータ電力を検出するための交流電流検出器2、モータ速度を検出するための速度検出器18が設置されている。
FIG. 6 shows a main circuit and a control circuit of the variable magnetic flux drive system according to the first embodiment. The main circuit includes a
具体的にはインバータ4からの3相の駆動電流が可変磁束モータ1のステータス側の巻線に供給されている。そして例えば2相の駆動電流の変化が電流検出装置2U、2Wにより検出されている。電流検出装置2U、2Wは例えばホール素子を用いた検出回路を有する。検出した電流は、座標変換部7に入力されている。座標変換部7は、電流検出器2の交流検出電流Iu,Iwを2軸DQ軸変換してDQ軸電流検出値Id,Iqに変換して電圧指令演算部10に入力する。
Specifically, a three-phase drive current from the
次に、制御回路について説明する。ここでの入力は、運転指令Run*とトルク指令Tm*である。運転指令生成部16は、運転指令Run*と保護判定部17で判断された保護信号PROTとを入力とし、運転状態フラグRunを生成出力する。基本的には、運転指令が入った場合(Run*=1)に、運転状態フラグRunを運転状態(Run=1)にし、運転指令が停止を指示した場合(Run*=0)には、運転状態フラグRunを停止状態(Run=0)にする。さらに、保護検知の場合(PROT=1)には、運転指令Run*=1であっても、運転状態は停止状態Run=0にする。
Next, the control circuit will be described. The inputs here are the operation command Run * and the torque command Tm *. The operation
ゲート指令生成部15は、運転状態フラグRunを入力し、インバータ4に内在するスイッチング素子へのゲート指令Gstを生成出力する。このゲート指令生成部15では、運転状態フラグRunが停止(Run=0)から運転(Run=1)に変わる場合、即時にゲートスタート(Gst=1)とし、運転状態フラグRunが運転(Run=1)から停止(Run=0)に変わる場合、所定時間が経過した後に、ゲートオフ(Gst=0)にするように作用する。
The gate
電流基準演算部11可変磁束モータ1のコイルの磁力の変化タイミングと磁束量を決める指令電流Id*、Iq*を出力する。この指令電流Id*、Iq*は、電圧指令演算部10に向けて出力される。
The current reference calculation unit 11 outputs command currents Id * and Iq * that determine the change timing and amount of magnetic flux of the coil of the variable
インバータ4の半導体電力素子の温度を検出する温度情報処理部122が示されているがこの温度情報処理部122と各部の関係については、後述する。
Although a temperature
上記の磁束指令演算部12は、運転状態フラグRunとインバータ周波数ω1、すなわち、ロータ回転周波数ωRを入力として、磁束指令Φ*を、例えば次の(2)式のように生成して出力する。すなわち、運転停止(Run=0)の場合には、磁束指令Φ*を最小Φminにして、運転状態(Run=1)であって、かつ、回転周波数ωRが所定値より低い場合には、磁束指令Φ*を最大Φmaxとし、また、速度が所定値より高い場合、磁束指令Φ*を最小Φminとする。
ここに、Φmin:可変磁束モータ1として取り得る最小磁束量(>0)、Φmax:可変磁束モータ1として取り得る最大磁束量、ωA:所定の回転周波数である。尚、磁束量のΦmin,Φmaxの設定については、後で可変磁束制御部13のところで説明する。
Here, Φmin is the minimum amount of magnetic flux (> 0) that can be taken as the variable
電流基準演算部11では、トルク指令Tm*と磁束指令Φ*とを入力として、D軸電流基準IdRとQ軸電流基準IqRを次式(3),(4)のように演算する。
同(3),(4)式は、モータのリラクタンストルクを用いないことを想定し、モータ極数も0とした演算式である。D軸インダクタンスLdとQ軸インダクタンスLqの差異ΔLがある突極形モータであっても、差異のない非突極形のモータであってもよい。 The expressions (3) and (4) are arithmetic expressions assuming that the motor reluctance torque is not used and the number of motor poles is zero. Even a salient pole motor having a difference ΔL between the D-axis inductance Ld and the Q-axis inductance Lq may be a non-salient pole type motor having no difference.
しかしながら、効率の最適化や所定電流での最大出力を考える場合、リラクタンストルクを考慮することが有効である。この場合、例えば、次式のように演算する。
ここに、KはD軸電流とQ軸電流との比率であり、前述の効率最適化や最大出力等、用途によって変わる値である。最適化を図るためには関数形をとり、その引数としてトルク、速度等を用いる。また、簡易な近似やテーブル化して用いることもできる。また、(5)式の磁束指令Φ*は、後述する磁束推定値Φhを用いても、動作は可能である。 Here, K is the ratio of the D-axis current and the Q-axis current, and is a value that varies depending on the application, such as the aforementioned efficiency optimization and maximum output. To optimize, it takes a function form and uses torque, speed, etc. as its arguments. In addition, simple approximation or a table can be used. Further, the magnetic flux command Φ * in the equation (5) can be operated even if a magnetic flux estimated value Φh described later is used.
図11は、磁化要求生成部29の詳細な構成を示す。この図11のブロックは、制御マイコンによって、所定時間ごとに制御がなされていると仮定する。磁束指令Φ*は、前回値の保持部31に入力され、その値が保持される。前回値の保持部31の出力は、前回に記憶した磁束指令Φ*であり、今回の磁束指令値Φ*と共に、変化判定部30に入力される。変化判定部30では、入力2つの変化があった場合には1を、変化がない場合には0を出力する。すなわち、磁束指令Φ*が変化した場合にのみ1が立つ。上記同様な回路を、磁束指令Φ*に代わり、運転状態フラグRunについても有する。2つの変化判定部30,34の出力が論理和演算部(OR)32に入力され、それらの論理和が磁化要求フラグFCreqとして出力される。
FIG. 11 shows a detailed configuration of the
磁化要求生成部29の出力である磁化要求フラグFCreqは、磁束指令Φ*が変化した場合、あるいは、運転状態フラグRunが変化した場合に磁化要求(FCreq=1)となり、それ以外では要求なし(FCreq=0)となる。尚、運転状態フラグRunが変化する状態とは、インバータが始動するとき、停止するとき、保護で停止するときなどである。また、ここでは磁束指令Φ*を用いているが、後述する可変磁束制御部13の磁化電流指令Im*(磁化電流テーブル27の出力)の変化で磁化要求FCreqを生成してもよい。
The magnetization request flag FCreq, which is the output of the magnetization
図12は、可変磁束制御部13の詳細な構成を示す。可変磁束制御部13は、磁束指令演算部12の出力である磁束指令Φ*を入力し、D軸電流基準IdRを補正するD軸磁化電流差分量ΔIdm*を出力する。この磁化電流差分量ΔIdm*は、加算器14に入力されて、電流基準演算部11からの基準電流を補正する。
FIG. 12 shows a detailed configuration of the variable magnetic
この磁化電流差分量ΔIdm*の生成は、以下の演算処理による。可変磁石VMGを磁化するためには、図9の可変磁石のBH特性に則り、所定の磁化電流指令Im*を求めればよい。特に、磁化電流指令Im*の大きさは、図9中のH1sat以上、すなわち、可変磁石の磁化飽和領域となるように設定する。 The generation of the magnetizing current difference amount ΔIdm * is performed by the following arithmetic processing. In order to magnetize the variable magnet VMG, a predetermined magnetization current command Im * may be obtained in accordance with the BH characteristics of the variable magnet shown in FIG. In particular, the magnitude of the magnetization current command Im * is set to be equal to or greater than H1sat in FIG. 9, that is, the magnetization saturation region of the variable magnet.
磁化飽和領域まで磁化電流を流すため、磁束指令演算部12で設定すべき磁束量ΦminやΦmaxは、可変磁石の磁束(磁束密度)がプラス、ないしは、マイナスの最大(飽和)値に固定磁石分を加算した値として設定する。可変磁石VMGの磁束量の正の最大値をΦvarmax(負の最大値の絶対値は正の最大値と等しいとする)、固定磁石FMGの磁束量をΦfixとすれば、次式である。
磁束指令Φ*を入力とし、対応する磁化電流を記憶した磁化電流テーブル27によって、磁束指令Φ*を得るための磁化電流指令Im*を出力する。
A magnetic current command Im * for obtaining the magnetic flux command Φ * is output from the magnetic
基本的に、磁石の磁化方向をD軸としているので、磁化電流指令Im*は、D軸電流指令Id*に与えるようにする。本実施の形態では、電流基準演算部11からの出力であるD軸電流基準IdRを加算器14にてD軸磁化電流指令差分ΔIdm*で補正し、D軸電流指令Id*とする構成にしているので、減算器26によってD軸磁化電流指令ΔIdm*を次式によって求める。
尚、磁束切り替えの際には、D軸電流指令Id*に磁化電流Im*を直接与えるような構成とすることも可能である。 It is also possible to adopt a configuration in which the magnetizing current Im * is directly given to the D-axis current command Id * when switching the magnetic flux.
一方、磁化要求フラグFCreqは、磁束を切り替えたい要求の際に、少なくとも一瞬切り替え要求(FCreq=1)が立つ。磁束を確実に可変とするために、磁化要求フラグFCreqを最小オンパルス器28へと入力する。この出力である磁化完了フラグ(=1:磁化中、=0:磁化完了)は、一旦オン(=1)が入力された場合、所定の時間の間はオフ(=0)にならない機能を有する。所定時間を越えて入力がオン(=1)である場合には、それがオフとなると同時に出力もオフとなる。
On the other hand, the magnetization request flag FCreq is at least momentarily switched (FCreq = 1) when a request for switching the magnetic flux is made. In order to reliably change the magnetic flux, the magnetization request flag FCreq is input to the minimum on-
切り替え器23には、磁化完了フラグが入力され、磁化中(磁化完了フラグ=1)の場合、減算器26の出力を、磁化完了(磁化完了フラグ=0)の場合、0を出力する。
The
電圧指令演算部10は、以上により生成されたDQ軸電流指令Id*,Iq*に基づき、当該指令に一致する電流が流れるように電流制御器を含むDQ軸電圧指令Vd*,Vq*を生成する。
Based on the DQ-axis current commands Id * and Iq * generated as described above, the voltage
そして電圧指令演算部10のDQ軸電圧指令Vd*,Vq*を、座標変換部5にて3相電圧指令Vu*,Vv*,Vw*に変換し、この3相電圧指令によってPWM回路6がPWMにてゲート信号を生成し、インバータ4をPWM制御する。
The DQ axis voltage commands Vd * and Vq * of the voltage
尚、座標変換部7は先にも述べたように、電流検出器2の交流検出電流Iu,Iwを2軸DQ軸変換してDQ軸電流検出値Id,Iqに変換して電圧指令演算部10に入力する。また、擬似微分器8は速度検出器18の信号からインバータ周波数ω1を求める。尚、電圧指令演算部10、座標変換部5,7、PWM回路6には、従来同様の公知技術が採用されている。
As described above, the coordinate conversion unit 7 converts the AC detection currents Iu and Iw of the
図13には、各信号の動作のタイミングチャートの一例が示してある。ここでは保護信号は立っていない状況(PROT=0)だが、運転状態フラグRunの変化及び磁束指令Φ*の変化にて磁化要求フラグが立ち、それを所定時間幅確保する磁化完了フラグが立ち、この磁化完了フラグの期間だけ、磁化電流指令Im*が値を持つ。 FIG. 13 shows an example of a timing chart of the operation of each signal. Here, although the protection signal is not raised (PROT = 0), the magnetization request flag is raised by the change of the operation state flag Run and the change of the magnetic flux command Φ *, and the magnetization completion flag for securing the predetermined time width is raised. The magnetization current command Im * has a value only during the period of the magnetization completion flag.
以上の構成により、本実施の形態によれば、次の作用効果を奏する。可変磁束モータ1は図9のBH特性のように、インバータ電流による磁化に対し特性変化が急である。このため、実用上、同一の制御を施したとしても、位置センサレス制御で生じやすいD軸と磁束軸が厳密に一致しないという軸ずれや電流応答の差異、また、モータ個体差などにより、同一の磁束を繰り返し得ることは困難である。磁束の繰り返し精度が悪い場合、トルク精度が劣化して、好ましくない。
With the above configuration, the present embodiment has the following operational effects. The variable
ところが、本実施の形態の可変磁束ドライブシステムによれば、可変磁石VMGの磁化特性のなかで磁化飽和域以上の磁化電流を流すように設定しており、磁化後の可変磁束量を確定し、その繰り返し精度を向上でき、よって、トルク精度を確保し、ドライブの信頼性を向上できる。 However, according to the variable magnetic flux drive system of the present embodiment, the variable magnet VMG is set to flow a magnetization current that is equal to or greater than the magnetization saturation region in the magnetization characteristics of the variable magnet VMG. The repeatability can be improved, thus ensuring torque accuracy and improving drive reliability.
また、本実施の形態の可変磁束ドライブシステムによれば、磁化電流を流す時間の最小時間を設定しているため、中途半端な磁化状態で終了することがなく、これにより、磁化処理後の可変磁束量のばらつきを抑制し、トルク精度を向上できる。 In addition, according to the variable magnetic flux drive system of the present embodiment, since the minimum time for flowing the magnetizing current is set, it does not end in the halfway magnetization state, thereby making the variable after the magnetization processing variable. Variations in the amount of magnetic flux can be suppressed and torque accuracy can be improved.
次に図6に戻り、温度情報処理部122の機能についてさらに説明する。温度情報処理部122は次のいずれか1つまたは複数の制御を行うことができる。即ち、
(a)半導体電力素子の接合部温度がある温度より高いことが検出されたとき、可変磁束モータの磁化を行わない、または磁化電流を通常より小さくすることができる。このためには、例えば磁化要求生成部29から磁化要求フラグが出力されるのを禁止する。或いは補正部145から指令電流が出力されるのを禁止する方法がある。
Next, returning to FIG. 6, the function of the temperature
(a) When it is detected that the junction temperature of the semiconductor power element is higher than a certain temperature, the variable magnetic flux motor is not magnetized or the magnetizing current can be made smaller than usual. For this purpose, for example, the output of the magnetization request flag from the
(b)可変磁束モータの磁化を行う途中で半導体電力素子の接合部温度がある温度に達したとき、磁化を停止または磁化電流を抑制することができる。この場合も、或いは補正部145から指令電流が出力されるのを停止する方法がある。
(b) When the junction temperature of the semiconductor power element reaches a certain temperature during the magnetization of the variable magnetic flux motor, the magnetization can be stopped or the magnetization current can be suppressed. Also in this case, there is a method of stopping the output of the command current from the
(c)図4で説明したように、指令電流値から半導体電力素子接合部温度に比例した値を減算し、かつ、素子上限温度(接合部上限温度)から半導体電力素子接合部温度を減算した値を所定の時間ごとに積算した値を指令電流値に加算する手段を備えてもよい。 (c) As explained in FIG. 4, a value proportional to the semiconductor power element junction temperature is subtracted from the command current value, and the semiconductor power element junction temperature is subtracted from the element upper limit temperature (junction upper limit temperature). There may be provided means for adding a value obtained by integrating the values every predetermined time to the command current value.
(d)さらに上記(a)−(c)に加えて、インバータ入力直流電圧とスイッチング周波数から演算される磁化電流を流すようにしてもよい。例えば図4の減算器144の出力の値に応じて、インバータ入力直流電圧とスイッチング周波数から予め求めている磁化電流を可変磁束モータに流す制御出力を得るのである。そのために、インバータ入力直流電圧とスイッチング周波数に応じて、予め実験などで求めた適切な制御データをメモリに用意する。そして、減算器144の出力の値に対応する制御データをメモリから読出し、インバータの温度が低下するような電流制御データとして用いる。これにより、インバータの温度上昇を抑制することができる。
(d) Further, in addition to the above (a)-(c), a magnetizing current calculated from the inverter input DC voltage and the switching frequency may be passed. For example, in accordance with the output value of the
(e)また上記(a)−(c)に加えて、可変磁束モータの磁力を変える前にインバータ入力電圧とスイッチング周波数を下げるようにしてもよい。可変磁束モータの磁力を変える前は、例えば磁化要求フラグの出力タイミングで判定可能である。また例えば図4の減算器144の出力の値がある範囲である場合は、半導体電力素子の温度がどのような領域(安全領域、警告領域、危険領域など)にあるかを判断することができる。
(E) In addition to the above (a)-(c), the inverter input voltage and switching frequency may be lowered before changing the magnetic force of the variable magnetic flux motor. Before changing the magnetic force of the variable magnetic flux motor, it can be determined, for example, at the output timing of the magnetization request flag. For example, when the output value of the
そこで警告領域にあるときは、可変磁束モータの磁力を変える前に、インバータ入力電圧を可変するために、例えばD軸電流基準IdRを予め設定した値に切り替えることで実行してもよい。これにより、インバータの温度低下を得ることができる。さらには、直接、インバータの出力電圧、或いはPWM回路6におけるスイッチング制御信号の周波数が、温度情報処理部122からの出力により、調整されてもよい。
Therefore, when in the warning area, before changing the magnetic force of the variable magnetic flux motor, in order to change the inverter input voltage, for example, the D-axis current reference IdR may be switched to a preset value. Thereby, the temperature fall of an inverter can be obtained. Further, the output voltage of the inverter or the frequency of the switching control signal in the
(f)さらにまた上記(a)−(c)に加えて、可変磁束モータの磁力を変える前にインバータの冷却を強化する手段を設けてもよい。通常は、インバータ4モジュールは、放熱フィンあるいは放熱器と一体化されている。放熱器を冷却用液体が循環して流れているものもある。冷却用液体は、ラジエータなどの冷却器で冷却され、放熱器を流れ、熱を吸収している。そこで、例えばラジエータに流れる液体量を低減させて、液体を一層強く冷却し、この冷却された液体をインバータの放熱器へ流し込むことで実現できる。
(F) Furthermore, in addition to the above (a) to (c), means for enhancing the cooling of the inverter before changing the magnetic force of the variable magnetic flux motor may be provided. Normally, the
(g)また図4の減算器144の出力の値応じて、可変磁束モータの磁力を変える前に他の駆動系にシステムの駆動を負担させる制御出力を得るようにしてもよい。この制御出力は、例えばハイブリッド車などにおいて有効に活用される。例えば可変磁束モータを動力として走行している途中で、インバータ温度が危険領域に達したとき、ガソリンを燃料とするエンジンに対して起動信号を送る必要があるが、このときの起動信号として、上記温度情報処理部122からの制御出力を利用するのである。
(G) Depending on the value of the output of the
(h)また図4の減算器144の出力の値応じて、可変磁束モータの磁力を変えた後は一定の期間、可変磁束モータの磁力を変えない制御出力を得るようにしてもよい。これは、インバータの冷却期間を考慮したものである。上記温度情報処理部122からの制御出力により、例えば磁化要求フラグを停止させる、あるいは指令電流Idを予め設定した値に切り替えるなどの制御を行った場合、一定期間は、その制御状態を維持する。これにより、インバータの冷却期間を十分確保することができる。
(H) Further, after changing the magnetic force of the variable magnetic flux motor according to the value of the output of the
なおインバータ4には、スイッチング動作する複数の半導体電力素子が含まれ、それぞれの素子に対する温度センサ、或いはオンオフ関係になる素子に対する温度センサが設けられる。この場合、各温度センサからの検出温度データの平均データが、温度情報処理部122で測定温度データとして処理されてもよいし、或いは最も高い検出温度データが温度情報処理部122で測定温度データとして処理されてもよい。
Note that the
図14には、インバータ4の冷却を強化する手段の例を示している。通常は、インバータ4モジュールは、放熱フィンあるいは放熱器と一体化されている。放熱器を冷却用液体が循環して流れている。冷却用液体は、ラジエータ150などの冷却器で冷却され、インバータ4の放熱器を流れ、熱を吸収している。またこの冷却水は、モータ1あるいはバッテリー周辺を流れて冷却を行い、ラジエータ150に戻って、冷却処理を受けている。そこで、インバータ4における冷却効果を強化する場合、例えばラジエータ150に流れる液体量を低減させて、液体を一層強く冷却し、この冷却された液体をインバータ4の放熱器へ流し込むことで実現できる。
FIG. 14 shows an example of means for enhancing the cooling of the
上記の機能を設けることにより、半導体電力素子の接合部の温度変化を精度良く推定し、インバータ及び可変磁束モータの動作上の安全性と信頼性を得ることができる。 By providing the above function, it is possible to accurately estimate the temperature change at the junction of the semiconductor power element, and to obtain operational safety and reliability of the inverter and the variable magnetic flux motor.
上記した本発明は、電気自動車、ハイブリッド車、電車などモータを用いる機器分野で有効な技術である。 The above-described present invention is a technology effective in the field of equipment using a motor such as an electric vehicle, a hybrid vehicle, and a train.
1・・・可変磁束モータ、2U、2W・・・電流検出装置、3・・・直流電源、4・・・インバータ、5・・・座標変換部、6・・・PMW回路、7・・・座標変換部、8・・・擬似微分器、10・・・電圧指令演算部、11・・・電流基準演算部、12・・・磁束指令演算部、13・・・可変磁束制御部、14・・・加算器、15・・・ゲート指令生成部、16・・・運転指令生成部、17・・・保護判定部、29・・・磁化要求生成部、111・・・半導体電力素子、112・・・ゲートスイッチ回路、121・・・温度センサ、122・・・温度情報処理部、124・・・加算器、130・・・モデル化回路、141・・・比例定数演算部、142・・・減算器、43・・・積分定数演算部、144・・・減算器、145・・・補正部。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記モデル化回路の前記熱抵抗から半導体電力素子の接合部温度データに比例した第1の値を取得する比例定数演算部と、
予め設定した上限温度データから前記半導体電力素子の接合部温度データを減算した値を前記モデル化回路の前記熱容量を用いて所定の時間ごとに積算して第2の値を取得する積分定数演算部と、
前記第1の値から前記第2の値を減算した第3の値を得る減算器と、
前記第3の値を前記インバータに対する指令電流値から減算する補正部と、
を有したことを特徴とする可変磁束モータの制御装置。 A modeling circuit including a thermal resistance and a heat capacity between the junction of the semiconductor power element in the inverter and the on-chip sensor is defined, and the temperature information processing unit including the modeling circuit includes:
A proportionality constant calculator that obtains a first value proportional to the junction temperature data of the semiconductor power element from the thermal resistance of the modeling circuit;
An integration constant calculation unit that obtains a second value by integrating a value obtained by subtracting the junction temperature data of the semiconductor power element from preset upper limit temperature data every predetermined time using the heat capacity of the modeling circuit When,
A subtractor for obtaining a third value obtained by subtracting the second value from the first value;
A correction unit that subtracts the third value from the command current value for the inverter;
A control apparatus for a variable magnetic flux motor, characterized by comprising:
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