JP2004328913A

JP2004328913A - 電流検出回路

Info

Publication number: JP2004328913A
Application number: JP2003121331A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Nakamura; 靖中村
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2003-04-25
Filing date: 2003-04-25
Publication date: 2004-11-18

Abstract

【課題】一周期中の各相の電流を確実に検知できる電流検出回路を提供することを課題とする。
【解決手段】各相にスイッチング素子を備えた三相のインバータ装置に設けられた電流検出部８は、各相の合成電流を検出する電流センサからの信号を増幅する増幅部９、増幅部９で増幅された電流センサからの信号を保持するサンプルホールド回路１１〜１３、エラー電圧源１４、サンプルホールド回路で保持される信号を切り換える切換スイッチ１５〜１７、インバータ装置の相状態から電流センサにどの相の電流が流れているかを特定し、サンプルホールド回路で相電流に対応する電圧をサンプリングして保持させるデコーダ１０ａおよび相状態の不変時間を計測するタイマ１０ｂを有する。相状態の不変時間が所定時間を超えた場合にのみ、サンプルホールド回路で電流センサからの電圧が保持され、それ以外はエラー電圧が保持される。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電流検出回路に係り、特に多相モータを駆動する多相インバータ装置に対応可能な電流検出回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、モータを駆動する三相インバータ装置では、各相のモータ電流を検出してフィードバック制御を行っている。各相のモータ電流を検出するために、例えば特許文献１に示される電流検出回路では、直流電源とインバータ主回路との間に設けられた電流検出手段によりＰＷＭ信号の１キャリア周期中に、２回の瞬時電流を検出して、２相分の相電流を演算するように構成されている。
また、特許文献２に示される三相モータの駆動回路では、各相の共通の電源ラインにひとつの電流センサを設け、各相の合成電流と三相駆動信号から各相の電流値を分離する方法が提案されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−９５２６３号公報
【特許文献２】
特開平１０−３２３０７７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に示される電流検出回路では、各相のうち、電流計測できない相を避けて瞬時電流を検出しているため、すべての相の電流を検出することができない。
また、特許文献２に示される駆動回路では、１２０度ずつ位相をずらした矩形波電圧によりモータを回転させる１２０度通電方式であり、各アームのスイッチング素子は、モータ一回転あたり、１回しかオンオフしない。このような１２０度通電方式の駆動回路では、モータ電流に含まれる低次高調波のために、騒音が大きく、またトルク変動も大きいので、スイッチング素子をモータ周波数よりも高い周波数でデューティ駆動して、モータに流れる電流を等価的に正弦波にする正弦波駆動方式が望ましい。しかしながら、正弦波駆動方式においては、この駆動回路を適用して、一周期中に、すべての相の電流を検出することは困難である。
【０００５】
さらに、正弦波駆動方式においては、モータ回転数よりもかなり高い周波数で各アームをスイッチングし、モータ電流が正弦波になるようなＰＷＭ制御をおこなうため、ＰＷＭ信号の組み合わせによっては、一周期中に電流値を検出できない相が現れることがある。また、相の状態が短時間で切り替わり、正しい電流値を検出するには時間が十分取れない場合がある。このような場合、一周期前の電流値データを用いて補正等の処理を行う必要があるが、限られた時間内に、電流検出状態の確認、ＡＤコンバータでの読み込みタイミング制御等の処理が要求される。そのため、モータ制御のソフトウエアの負荷が大きくなってしまう。とくに、インバータキャリア周波数が高い場合は、なおさらであり、高速なプロセッサを利用してこのような課題に対応するのではコストアップの要因となる。
【０００６】
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、一周期中の各相の電流を確実に検知できる電流検出回路を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る電流検出回路は、各相にスイッチング素子を備えた多相のインバータ装置に用いられる電流検出回路であって、インバータ装置の各相を流れる相電流を合成した合成電流を検知する電流センサと、電流センサにどの相の電流が流れているかを特定する相電流特定手段と、電流センサの出力に基づいて、電流センサを流れる電流に対応したセンサ電圧を、相電流判定手段が特定した相のサンプルホールド電圧として、一周期ごとに検出するとともに、各相に対応してそれぞれ設けられたサンプルホールド手段とを備えることを特徴とするものである。相電流特定手段により電流センサに流れる合成電流がどの相の電流であるかを特定して、各相の電流が一周期ごとに電圧に換算して検出される。
【０００８】
相電流特定手段は、インバータ装置の各相のスイッチング素子への駆動信号を検出して相状態を判定し、その結果に基づいて、電流センサにどの相の電流が流れているかを特定することができる。
相電流特定手段は、所定時間内に相状態の変化がなかった場合、サンプルホールド電圧として、センサ電圧をサンプルホールド手段に検出させることができる。
【０００９】
センサ電圧と異なる値を有するエラー電圧を設定するエラー電圧設定手段をさらに備え、相電流特定手段は、所定時間内に相状態の変化があった場合、サンプルホールド電圧として、エラー電圧をサンプルホールド手段に検出させることができる。正常に電流検出できたか否かおよび正常に検出した電流値を、サンプルホールド電圧の値の違いで知ることができ、その後の処理を容易にする。
また、センサ電圧およびエラー電圧と異なる値を有する初期電圧を設定する初期電圧設定手段をさらに備え、相電流特定手段は、一周期ごとに、サンプルホールド電圧を初期電圧に初期化することができる。サンプルホールド手段が相電流を全くサンプリングできなかった場合も含め、正常に電流検出できなかった要因を細分化して把握することができる。
また、インバータ装置は正弦波駆動であってもよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に、この発明の実施の形態に係る電流検出回路を用いたインバータ装置が直流三相モータを駆動する場合の構成を示す。
インバータ装置１は、直流電源２に接続されたインバータ主回路３と、電流センサ５、ゲートドライバ６、制御プロセッサ７および電流検出部８とから構成される。また、インバータ主回路３には三相モータ４が接続される。
ここで、電流センサ５および電流検出部８は電流検出回路を構成し、電流検出部８は相電流特定手段、サンプルホールド手段およびエラー電圧設定手段を構成する。
【００１１】
インバータ主回路３は、Ｕ相上アーム用スイッチング素子３ａ、Ｖ相上アーム用スイッチング素子３ｂ、Ｗ相上アーム用スイッチング素子３ｃ、Ｕ相下アーム用スイッチング素子３ｄ、Ｖ相下アーム用スイッチング素子３ｅ、Ｗ相下アーム用スイッチング素子３ｆを有する。
制御プロセッサ７は、スイッチング素子３ａ〜３ｆをオン・オフ制御するためのＰＷＭ信号を生成し、Ｕ相のスイッチング素子３ａ，３ｄをオン・オフ制御するＵ相のスイッチング信号Ｕ１、Ｖ相のスイッチング素子３ｂ，３ｅをオン・オフ制御するＶ相のスイッチング信号Ｖ１、Ｗ相のスイッチング素子３ｃ，３ｆをオン・オフ制御するＷ相のスイッチング信号Ｗ１を、ゲートドライバ６を介して各スイッチング素子に送る。また、これらのスイッチング信号Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１は、電流検出部８にも入力される。
【００１２】
電流センサ５は、インバータ主回路３の各相の下アーム用スイッチング素子３ｄ〜３ｆと、直流電源２の（−）側との間に設けられたシャント抵抗である。各相の相電流を合成した合成電流を検知する。電流センサ５には、各相の電流が合流して流れ、この合成電流によってシャント抵抗の両端にシャント両端電圧が発生する。この電圧が電流検出部８に入力される。
【００１３】
電流検出部８には、図２に詳細に示されるように、電流センサ５のシャント両端電圧を増幅する増幅部９が設けられている。増幅部９は、正出力と負出力の２つの電圧を出力する。
正出力は、電流センサ５を流れる電流が０アンペア（Ａ）の場合は２．５Ｖを出力し、電流の向きが正の場合は電流の大きさに応じて大きくなる２．５〜４．５Ｖの範囲の値を出力し、電流の向きが負の場合は電流の大きさに応じて小さくなる０．５〜２．５Ｖの範囲の値を出力する。
負出力は、電流センサ５を流れる電流が０アンペア（Ａ）の場合は２．５Ｖを出力し、電流の向きが正の場合は電流の大きさに応じて小さくなる０．５〜２．５Ｖの範囲の値を出力し、電流の向きが負の場合は電流の大きさに応じて大きくなる２．５〜４．５Ｖの範囲の値を出力する。なお図２において正出力、負出力は図の理解を容易にする為わけて記載していない。
また、電流検出部８には、デコーダ１０ａおよびタイマ１０ｂからなるホールドタイミング制御部１０が設けられ、制御プロセッサ７からデコーダ１０ａに、Ｕ、Ｖ、Ｗ相のスイッチング信号Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１が入力される。
【００１４】
ここで、Ｕ、Ｖ、Ｗ相のスイッチング信号Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１は、図４に示されるように、ともに、対応する相の上アーム用スイッチング素子をオフしかつ下アーム用スイッチング素子をオンする信号（図４に符号１で示される）、上アーム用スイッチング素子をオンしかつ下アーム用スイッチング素子をオフする信号（図４に符号０で示される）から構成される。
インバータ主回路３のＵ、Ｖ、Ｗ相のスイッチング素子の駆動状況を表す相状態は、図３に示される８つのうちのいずれか状態になる。
このうち、状態Ｎｏ．１および８の場合は、電流センサ５に電流が流れないが、残りの状態の場合は、Ｕ、Ｖ、Ｗ相のいずれかの電流が流れている。図中、電流センサ５に流れる電流として、例えば−Ｗのように、負の符号が添えてあるものは、電流方向がＷと逆になっていることを表す。
【００１５】
図２に戻って、デコーダ１０ａではスイッチング信号Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１の組み合わせから、電流センサ５にどの相の電流が流れているか、および相電流の方向を特定する。
また、デコーダ１０ａは、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の電流に対応した電圧検出のための３つのサンプルホールド回路１１，１２，１３に接続される。サンプルホールド回路１１，１２，１３は、それぞれ図示しないホールドコンデンサを有し、これらに入力された電圧を、デコーダ１０ａの指示によりサンプリング（ホールドコンデンサに充電）あるいはホールド（保持）して各相の電圧検出を行う。また、サンプルホールド回路１１，１２，１３は制御プロセッサ７に接続される。制御プロセッサ７には図示しないＡＤコンバータが設けられ、サンプルホールド回路１１，１２，１３で保持したサンプルホールド電圧をＵ相電圧ＵＶｏｕｔ、Ｖ相電圧ＶＶｏｕｔ、Ｗ相電圧ＷＶｏｕｔとして任意のタイミングで読み込む。
【００１６】
また、デコーダ１０ａは、切換スイッチ１５，１６，１７に接続される。切換スイッチ１５，１６，１７は、エラー電圧源１４および増幅部９に接続される。エラー電圧源１４の電圧は本実施例では５Ｖである。
ここで、切換スイッチ１５，１６，１７は、ともに同一の構造であり、切換スイッチ１５を例に説明する。切換スイッチ１５はＵ相電流がＵ（図４において状態Ｎｏ．２）の場合に作動するスイッチＳＷ（＋）と、Ｕ相電流が−Ｕ（図４において状態Ｎｏ．７）の場合に作動するスイッチＳＷ（−）と、エラー時に作動するスイッチＳＷ（ｅ）の３つのスイッチから構成されている。スイッチＳＷ（＋）の一方は、増幅器９の正出力に接続されている。スイッチＳＷ（−）の一方は増幅器９の負出力に接続されている。また、スイッチＳＷ（ｅ）の一方は、エラー電圧源１４に接続されている。そしてスイッチＳＷ（＋），ＳＷ（−），ＳＷ（ｅ）の他方はサンプルホールド回路１１に接続されている。
また、デコーダ１０ａからの指示により、相状態に応じてスイッチＳＷ（＋），ＳＷ（−），ＳＷ（ｅ）のいずれかを作動させることで、増幅部９からの電圧信号とエラー電圧源１４の電圧信号のいずれかがサンプルホールド回路１１に入力されるように構成されている。
タイマ１０ｂはデコーダ１０ａに接続され、デコーダ１０ａからの指示により例えば２μ秒の時間計測を行うタイマ機能を有する。
【００１７】
次に、この実施の形態に係る電流検出回路の動作について図５および６に基づいて説明する。
図５に示されるように、デコーダ１０ａに入力されたＵ，Ｖ，Ｗ相スイッチング信号Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１が、時刻ｔ１において変化すると、すなわち、相状態が変化すると、デコーダ１０ａはタイマ１０ｂを起動する。また、デコーダ１０ａは、スイッチング信号Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１の組み合わせから、電流センサ５にＵ相の相電流が流れていることを特定する。また、デコーダ１０ａは、サンプルホールド回路１１における電圧のサンプリングあるいはホールドを指示するＵ相サンプルホールド指示信号ＵＨをサンプリング状態にし、サンプルホールド回路１１でＵ相の相電流に対応する電圧がサンプリングされる。このとき切換スイッチ１５のスイッチＳＷ（＋）がオンする。
タイマ起動後、所定時間、例えば２μ秒以内に相状態が変化しない場合、デコーダ１０ａは正常に相電流を検出したと判断して、その後、相状態が変化した時刻ｔ２において、Ｕ相サンプルホールド指示信号ＵＨをホールド状態に切り換えて、サンプルホールド回路１１ではサンプリングしたセンサ電圧をサンプルホールド電圧として保持する。つまり、切換スイッチ１５のスイッチＳＷ（＋）がオフする。すなわち、このセンサ電圧は正常に相電流を検出したサンプルホールド電圧となる。
【００１８】
また、時刻ｔ２において、タイマ１０ｂが再起動し、デコーダ１０ａは、スイッチング信号Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１の組み合わせから、電流センサ５にＷ相の相電流が流れていることを特定し、Ｗ相サンプルホールド指示信号ＷＨをサンプリング状態にし、サンプルホールド回路１３でＷ相の相電流に対応する電圧がサンプリングされる。このとき切換スイッチ１７のスイッチＳＷ（−）がオンする。
タイマ起動後２μ秒に満たない時刻ｔ３において、相状態が変化すると、デコーダ１０ａは、相状態が不変のまま継続した時間が短いため、十分なサンプリング時間をとれていないとみなして、切換スイッチ１７のスイッチＳＷ（−）をオフして、スイッチＳＷ（ｅ）をオンする。したがって、サンプルホールド回路１３では、エラー電圧源１４のエラー電圧が入力され保持される。これにより、Ｗ相の相電流は適切にサンプリングされなかったことを表すエラー電圧がＷ相のサンプルホールド電圧として保持される。
【００１９】
次に、図６に移って、時刻ｔ４において、相状態が変化するとデコーダ１０ａはタイマ１０ｂに指示し、タイマ１０ｂが起動する。また、デコーダ１０ａは、スイッチング信号Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１の組み合わせから、電流センサ５にＶ相の相電流が流れていると特定し、Ｖ相サンプルホールド指示信号ＶＨをサンプリング状態にし、サンプルホールド回路１２でＶ相の相電流に対応する電圧がサンプリングされる。このとき切換スイッチ１６のスイッチＳＷ（＋）がオンする。
タイマ起動後、所定時間、例えば２μ秒以内に相状態が変化しない場合、デコーダ１０ａは正常に相電流を検出したと判断して、Ｖ相サンプルホールド指示信号ＶＨをホールド状態に切り換えて、サンプルホールド回路１２ではサンプリングしたセンサ電圧をサンプルホールド電圧として保持する。つまり、切換スイッチ１６のスイッチＳＷ（＋）がオフする。すなわち、このセンサ電圧は正常に相電流を検出したサンプルホールド電圧となる。
【００２０】
次に、時刻ｔ５において、制御プロセッサ７は、サンプルホールド回路１１，１２，１３に保持されたサンプルホールド電圧をＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧ＵＶｏｕｔ、ＶＶｏｕｔ、ＷＶｏｕｔとして読み込んだ後、時刻ｔ６において、リセット信号Ｒｅｓｅｔをデコーダ１０ａに送る。デコーダ１０ａはこの信号を受けてサンプルホールド回路１１，１２，１３のサンプルホールド電圧をリセットし、その代わりにエラー電圧を、サンプルホールド電圧の初期電圧Ｖｉｎｉとして保持させる。
【００２１】
以上のように、デコーダ１０ａは、各相のスイッチング素子３ａ〜３ｆへの駆動信号を検出して相状態を判定し、その結果に基づいて、電流センサ５にどの相の電流が流れているかを特定することができる。さらに、サンプルホールド回路１１，１２，１３により各相の電流が一周期ごとに電圧に換算して検出される。したがって、モータ回転数よりも高い周波数で各アームをスイッチングしても、一周期中の各相の電流を確実に検知できる。
また、所定時間内に相状態の変化がなかった場合にのみ、センサ電圧が正常サンプルホールド電圧として保持されるので、相電流を正確に検知することができる。さらに、所定時間内に相状態の変化があった場合、サンプルホールド回路１１，１２，１３におけるサンプリング時間が短時間であるため、正確な相電流を検出できないと判定して、正常サンプルホールド電圧と異なる値をもつエラー電圧が、サンプルホールド電圧として保持されるようにしたので、相電流を正常に検出できたか否かおよび正常に検出した電流値を、サンプルホールド電圧の値の違いで知ることができる。
【００２２】
なお、上述の実施の形態において、サンプルホールド回路１１，１２，１３のサンプルホールド電圧を初期化する場合に、初期電圧Ｖｉｎｉをエラー電圧と同じ電圧に設定したが、エラー電圧源１４とは別個に初期電圧設定手段として、初期電圧源を設けてもよい。初期電圧源の電圧値を、正常サンプルホールド電圧およびエラー電圧と異なる値に設定すれば、一周期経過後、各相のサンプルホールド電圧が初期電圧のままであれば、サンプルホールド回路１１，１２，１３が一周期中に相電流を全くサンプリングできなかったことを知ることができる。これにより、相電流を検出できなかった要因について、電流センサ５が全く電流検出できていないのか、あるいは、サンプルホールド回路１１，１２，１３がセンサ電圧のサンプリング中に相状態が変化してしまったのかを区別して把握することができる。
【００２３】
また、電流センサは、シャント抵抗に限定されるものではなく、ホール素子やカレントトランスを用いてもよい。また、電流検出部８に入力される電流センサの出力は、電圧出力に限定されるものではなく、電流の一部を分岐するものであってもよい。
さらに、電流センサ５は、インバータ主回路３の各相の下アーム用スイッチング素子３ｄ〜３ｆと、直流電源２の（−）側との間に設けられたが、電流センサの取り付け位置は、これに限定されるものではなく、上アーム用スイッチング素子３ａ〜３ｃと、直流電源２の（＋）側との間に設けてもよい。
本実施例は、正弦波駆動のインバータ装置の電流検出回路として説明したが、矩形波駆動のインバータ装置に適用しても良い。矩形波駆動でも非常に高速にモータを回転させる場合はスイッチング周波数が高くなり、同様に短時間で制御する必要があるためＣＰＵ負荷が重くなるが、本発明を適用することで一周期中の各相の電流を確実に検知できる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、インバータ装置の各相を流れる相電流を合成した合成電流を検知する電流センサにどの相の電流が流れているかを、相電流特定手段が特定し、サンプルホールド手段が、電流センサの出力に基づいて電流センサを流れる電流に対応したセンサ電圧を、特定の相のサンプルホールド電圧として一周期ごとに検出するので、一周期中の各相の電流を確実に検知できる電流検出回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態に係る電流検出回路を用いたインバータ装置が三相モータを駆動する場合の構成を示すブロック図である。
【図２】実施の形態の電流検出回路の電流検出部の構成を示すブロック図である。
【図３】実施の形態の電流検出回路の電流検出部の構成を示すブロック図である。
【図４】実施の形態の電流検出回路の電流検出部における切換スイッチの構成を示す図である。
【図５】実施の形態の電流検出回路のサンプル、ホールドのタイミングを示すタイムチャートである。
【図６】実施の形態の電流検出回路のサンプル、ホールドのタイミングを示すタイムチャートである。
【符号の説明】
３ａ〜３ｆ…スイッチング素子、５…電流センサ、８…電流検出部、１０ａ…デコーダ、１０ｂ…タイマ、１１〜１３…サンプルホールド回路、１５〜１７…切換スイッチ、１４…エラー電圧源。

Claims

各相にスイッチング素子を備えた多相のインバータ装置に用いられる電流検出回路であって、
前記インバータ装置の各相を流れる相電流を合成した合成電流を検知する電流センサと、
前記電流センサにどの相の電流が流れているかを特定する相電流特定手段と、
前記電流センサの出力に基づいて、前記電流センサを流れる電流に対応したセンサ電圧を、前記相電流判定手段が特定した相のサンプルホールド電圧として、一周期ごとに検出するとともに、各相に対応してそれぞれ設けられたサンプルホールド手段と
を備えることを特徴とする電流検出回路。
前記相電流特定手段は、前記インバータ装置の各相の前記スイッチング素子への駆動信号を検出して相状態を特定し、その結果に基づいて、前記電流センサにどの相の電流が流れているかを特定する請求項１に記載の電流検出回路。
前記相電流特定手段は、所定時間内に前記相状態の変化がなかった場合、前記サンプルホールド電圧として、前記センサ電圧を前記サンプルホールド手段に検出させる請求項２に記載の電流検出回路。
前記センサ電圧と異なる値を有するエラー電圧を設定するエラー電圧設定手段を備え、
前記相電流特定手段は、所定時間内に相状態の変化があった場合、前記サンプルホールド電圧として、前記エラー電圧を前記サンプルホールド手段に検出させる請求項３に記載の電流検出回路。
前記センサ電圧および前記エラー電圧と異なる値を有する初期電圧を設定する初期電圧設定手段を備え、
前記相電流特定手段は、一周期ごとに、前記サンプルホールド電圧を前記初期電圧に初期化する請求項４に記載の電流検出回路。
前記インバータ装置は正弦波駆動である請求項１〜５のいずれか一項に記載の電流検出回路。