JP2004312955A

JP2004312955A - 過電流検出回路およびモータ駆動装置

Info

Publication number: JP2004312955A
Application number: JP2003106409A
Authority: JP
Inventors: Osamu Yamaguchi; 修山口
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-04-10
Filing date: 2003-04-10
Publication date: 2004-11-04

Abstract

【課題】低抵抗値でも洩れインダクタンスの影響が少なく高精度で負荷の過電流を検出できる回路およびそれを搭載したモータ駆動装置を提供する。
【解決手段】直流電源を接続する（＋）（−）端子の少なくとも一方とスイッチング素子群５との間に接続され過電流を検出する抵抗器１と、抵抗器１の両端に接続され、抵抗値と洩れインダクタンスによって決定される時定数を補償するフィルタ回路２と、フィルタ回路２の出力レベルと過電流レベルとしての基準値を比較し、基準値を超えたときに前記スイッチング素子の駆動を停止する信号を出力する比較回路３とを備えたもので、抵抗器１の抵抗値と洩れインダクタンスによって決定される時定数を補償し、実際の電流波形と検出された電圧波形を近似させて過電流の検出精度と応答性を維持する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、負荷の過電流検出回路に関し、特に大電流で駆動するモータ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のモータ制御装置は、交流入力を直流出力に電力変換し、この直流電圧を電源として、インバータ部をスイッング動作させ、モータに印加する電圧を制御してモータ電流を制御している。
【０００３】
図４に示すように、交流電源４１を整流平滑手段４２で整流平滑した直流電源端子間の少なくとも一方に抵抗器４３を介在させ、スイッチング素子４６に流れる電流を抵抗器４３両端の電圧降下として検出し、比較回路４４にてこの抵抗器４３両端の電圧値が一定値以上になった場合、異常電流が流れたと判断し、ゲート駆動回路４５を遮断状態にしてスイッチング素子４６やモータ４７を破壊から保護している（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−８１９５９１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
モータの出力が大きい場合には、過電流を検出する抵抗器に流れる電流も大きくなり、抵抗器での電圧降下を小さくするため低抵抗の抵抗器が使用される。
【０００６】
特に電源がバッテリの場合には供給電力に限界があるため抵抗器の発熱を抑え、後段に増幅器を設けてより低抵抗の抵抗器を使用し低電圧レベルで過電流を検出する要求が強くなる。
【０００７】
しかしながら、抵抗器には抵抗成分Ｒｄとともに洩れインダクタンス成分Ｌがあり、無誘導巻きにするなどして洩れインダクタンス成分を極力小さくする抵抗器の設計上の工夫をするが、これにも限界があり、抵抗値が一定値以下になると抵抗値を小さくしても抵抗器の洩れインダクタンス成分Ｌをある程度以上小さくすることが困難である。
【０００８】
つまり、抵抗器に低抵抗を使用した場合、抵抗器を流れる電流波形が図３（ａ）であるとすると、結果的に抵抗器両端には図３（ｂ）のように時定数Ｌ／Ｒｄの微分的性質をもつ波形が現れ、本来の電流値よりピーク値が大きくなり、過電流検出レベルの設定が困難で、不正確になるなどの課題があった。
【０００９】
本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、低抵抗値でも洩れインダクタンスの影響が少なく高精度で負荷の過電流を検出できる回路およびそれを搭載したモータ駆動装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、電源端子の少なくとも一方と前記スイッチング素子との間に接続され過電流を検出する抵抗器と、前記抵抗器の両端に接続され、抵抗値と洩れインダクタンスによって決定される時定数を補償するフィルタ回路と、前記フィルタ回路の出力レベルと過電流レベルとしての基準値とを比較し、基準値を超えたときに前記スイッチング素子の駆動を停止する信号を出力する比較回路とを備えたものであり、実際の抵抗器を流れる電流波形と検出された電圧波形を近似させることで過電流の検出精度と応答性を維持するものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
上記の課題を解決するために請求項１に記載の過電流検出回路は、過電流を検出する抵抗器からの出力をフィルタ回路に通して抵抗値と洩れインダクタンスによって決定される時定数を補償し、その出力を比較回路でレベル判定してスイッチング素子を保護するもので、高精度、高信頼性の過電流検出が可能となる。
【００１２】
また、請求項２に記載の過電流検出回路は、抵抗器の洩れインダクタンスの影響を実用上十分補償でき、精度の高い過電流検出ができる。
【００１３】
また、請求項３の過電流検出回路は、抵抗器の洩れインダクタンス成分の影響が顕在化する領域で、その影響を最小限に抑え、精度と信頼性の高い過電流検出が可能となる。
【００１４】
また、請求項４に記載の過電流検出回路は、直流ゲインが１より大きく、比較回路での過電流レベルの判定を容易に精度よく行うことができる。
【００１５】
さらに、請求項５または請求項６に記載のモータ駆動装置は、上記の過電流検出回路を備えたもので、電圧降下が小さく高精度の過電流検出ができるためバッテリ電源でモータを駆動する車載用モータ駆動装置に最適である。
【００１６】
【実施例】
本発明の負荷の過電流を検出する回路を備えたモータ制御装置を一例として、図面を参照して説明する。
【００１７】
図１において、直流電源が接続される（＋）（−）端子間に複数のスイッチング素子群５を接続、負荷としてのモータ６がスイッチング素子群５に接続され、スイッチング素子群５のスイッチングはゲート駆動回路４によって決定され、モータ６を駆動する。
【００１８】
（−）端子とスイッチング素子群５の負極間に負荷の過電流を検出する抵抗器１を介在させ、抵抗器１の両端にフィルタ回路２を接続し、抵抗値と洩れインダクタンスによって決定される時定数を補償する。
【００１９】
フィルタ回路２によって時定数が補償された出力電圧２３は、比較回路であるコンパレータ３に入力され、過電流検出レベルとして設定した基準値と比較され、基準値を超えるとスイッチング素子群５のスイッチングを停止する信号３２をゲート駆動回路４に出力するが、これは従来と同じである。
【００２０】
ところで、負荷であるモータの定格電力が大きくなると定常電流も大きくなる。すなわち、抵抗器１の発熱も大きくなるため抵抗値をできるだけ小さくすることが望ましい。
【００２１】
例えば、定常電流５０Ａの装置で過電流検出レベルを２００Ａと設定するとき、抵抗器の抵抗値が１０ｍΩの場合、定常消費電力はＷ＝Ｉ×Ｉ×Ｒ＝５０×５０×０．０１＝２５（Ｗ）、過電流検出時の両端電圧Ｖｄ＝２００×０．０１＝２（Ｖ）である。
【００２２】
抵抗器の抵抗値を１ｍΩにすれば、抵抗器の消費電力は２．５Ｗですむが、過電流検出時の両端電圧Ｖｄは０．２Ｖと小さくなる。このため、後段で増幅するなどの工夫が必要となる。
【００２３】
また、抵抗器１は抵抗成分とともに洩れインダクタンス成分Ｌが存在し、無誘導巻きなどの工夫をしても１０ｎＨといった値以下にするのが難しくなる。例えば、抵抗値が１ｍΩで洩れインダクタンスが１０ｎＨのとき、抵抗固有の時定数τ１はτ１＝Ｌ／Ｒｄ＝１０μｓとなる。
【００２４】
図３（ａ）は、スイッチング素子群５のスイッチング周波数が１０ｋＨｚの時の抵抗器１を流れる電流波形、図３（ｂ）は、抵抗器１の両端の電圧波形を示している。抵抗器１を流れる電流波形の図３（ａ）に対し、電圧波形の図３（ｂ）は抵抗の洩れインダクタンスＬの影響を受け、微分された波形になる。そのときの時定数はτ１＝Ｌ／Ｒｄである。
【００２５】
本発明のフィルタ回路２を通すことで、電圧波形の図３（ｂ）を補償した図３（ｃ）に示す矩形の電圧波形を出力２３として得る。フィルタ回路２の出力２３をコンパレータ３の入力３１に入力し、過電流判定レベルとしての基準電圧と比較し、過電流判定レベルを超えた場合にはコンパレータ３の出力３２が反転し、ゲート駆動回路４に作用してスイッチング素子群５の動作を停止させ、スイッチング素子群５あるいはモータ６を保護する。
【００２６】
フィルタ回路２の内部構成を図２に示す。このフィルタは１次のローパスフィルタの構成となっており、入力Ｅ１に対する出力Ｅ２の伝達特性は
Ｅ２／Ｅ１＝１／（１／Ｒ２＋ｊωＣ）／Ｒ１
となる。
【００２７】
また、電流検出抵抗器を流れる電流をＩ１とすると抵抗器の両端電圧Ｅ１は
Ｅ１＝Ｉ１×（Ｒｄ＋ｊωＬｌ）
であるからフィルタ回路の出力Ｅ２は

となる。
【００２８】
ここで、フィルタ回路２の時定数τ２＝ＣＲ２と、抵抗器１の時定数τ１＝Ｌ／Ｒｄとが等しくなるようにフィルタ回路２のＣまたはＲ２を選定すると
τ２＝ＣＲ２＝Ｌ／Ｒｄ
であるから
Ｃ＝Ｌ／Ｒｄ／Ｒ２
となり、

となり、フィルタ回路２の出力電圧は電流Ｉ１と同じ波形（矩形）となり、コンパレータ３における過電圧レベルの判定は、高精度かつ信頼性の高い過電流検出となる。
【００２９】
また、フィルタ回路の直流ゲインＲ２／Ｒ１を１より大きくとれば、コンパレータでのレベル判定が容易になり、さらに高精度、高信頼性の過電流検出が可能となる。
【００３０】
なお、モータ制御装置のブロック図において３相モータを負荷としたが、３相モータに限定するものではなく、さらに、過電流検出回路の負荷をモータに限定するものでもない。また、交流から直流に変換した後段に本発明の過電流検出回路を設けても同様に実施できるのは言うまでもない。
【００３１】
【発明の効果】
上記の実施例から明らかなように、請求項１に記載の発明によれば、抵抗値と洩れインダクタンスによって決定される時定数を補償するフィルタ回路によって、高精度で信頼性の高い過電流検出が可能となる。
【００３２】
また、請求項２に記載の発明によれば、フィルタ回路の遮断時定数τ２を（Ｌ／２Ｒｄ）＜τ２＜（２Ｌ／Ｒｄ）の範囲に設定することで、抵抗器の洩れインダクタンスの影響を実用範囲に補償できる。
【００３３】
また、請求項３に記載の発明によれば、抵抗値が１０ｍΩ以下の抵抗器の洩れインダクタンス成分の影響が顕在化する領域でその影響を最小限に抑えことができる。
【００３４】
また、請求項４に記載の発明によれば、比較回路での過電流レベルの判定を容易かつ精度よく実施できる。
【００３５】
さらに、本発明の過電流検出回路を備えることで、電圧降下が小さくて高精度の過電流検出が可能となるため、バッテリ電源でモータを駆動する車載用モータ駆動装置に適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の過電流検出回路を備えたモータ制御装置のブロック図
【図２】本発明の過電流検出回路におけるフィルタ回路の構成図
【図３】（ａ）過電流検出抵抗器における電流の波形図
（ｂ）過電流検出抵抗器における抵抗器両端電圧の波形図
（ｃ）過電流検出抵抗器におけるフィルタ回路出力の波形図
【図４】従来の過電流検出回路を備えたモータ制御装置のブロック図
【符号の説明】
１抵抗器
２フィルタ回路
３比較回路（コンパレータ）
４ゲート駆動回路
５スイッチング素子群
６モータ（負荷）

Claims

直流電源の端子間に接続された複数のスイッチング素子により負荷を駆動する装置において、電源端子の少なくとも一方と前記スイッチング素子との間に接続され過電流を検出する抵抗器と、前記抵抗器の両端に接続され、抵抗値と洩れインダクタンスによって決定される時定数を補償するフィルタ回路と、前記フィルタ回路の出力レベルと過電流レベルとしての基準値とを比較し、基準値を超えたときに前記スイッチング素子の駆動を停止する信号を出力する比較回路とを備えた過電流検出回路。
フィルタ回路は１次フィルタからなり、抵抗器の抵抗値をＲｄおよび洩れインダクタンスＬとしたとき、フィルタ回路の遮断時定数τ２を（Ｌ／２Ｒｄ）＜τ２＜（２Ｌ／Ｒｄ）の範囲に設定した請求項１に記載の過電流検出回路。
抵抗器の抵抗値が１０ｍΩ以下である請求項１または請求項２に記載の過電流検出回路。
フィルタ回路は直流ゲインが１より大きい請求項１または請求項２記載の過電流検出回路。
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の過電流検出回路を備えたモータ駆動装置。
接続する電源がバッテリである請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の過電流検出回路またはモータ駆動装置。