JP2006200404A

JP2006200404A - インバータ回路及びモータ制御装置

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Publication number: JP2006200404A
Application number: JP2005011358A
Authority: JP
Inventors: Narifumi Tojima; 成文遠嶋; Takashi Majima; 隆司真島
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2005-01-19
Filing date: 2005-01-19
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2025-01-19
Also published as: JP4561376B2

Abstract

【課題】昇圧回路を持たないインバータを備えるモータ制御装置において、モータ起動時に発生する突入電流を抑制する。
【解決手段】車輌用ターボチャージャに同軸接続されたモータを制御する制御装置であって、直流電源と、該直流電源から入力された直流電圧を昇圧することなく平滑コンデンサを備えたスイッチング回路でスイッチングすることにより交流電圧に変換して前記モータに供給すると共に、前記スイッチング回路の前段に突入電流防止回路を備えたインバータ回路と、前記インバータ回路を制御する制御部とを具備する、という手段を採用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータ回路及びモータ制御装置に関する。

例えば、以下の特許文献１では電動機（モータ）付ターボチャージャの制御装置に関する技術が開示されている。この技術は、バッテリから出力される直流電圧を昇圧回路で上昇させ、インバータ回路によって交流に変換してモータに供給する制御装置において、モータ駆動時に昇圧回路に流れる突入電流を抑制し、昇圧回路内の部品の破損を防止するものである。
特開平６−２７２５６４号公報

上記のように、昇圧回路を持つインバータを備えた電動機付ターボチャージャの制御装置に関してはモータ駆動時の突入電流を抑制する技術は開示されているが、昇圧回路を持たないタイプの電動機付ターボチャージャの制御装置に関しての突入電流抑制技術は開示されていない。昇圧回路を持たないインバータを備えた電動機付ターボチャージャの制御装置は、内部構成が簡単で小型化が可能という利点があるが、インバータの前段に設けられる平滑コンデンサとバッテリとが回路的に直接接続されることになり、モータ起動時に大きな突入電流が流れるという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、昇圧回路を持たないインバータを備えるモータ制御装置において、モータ起動時の突入電流を抑制することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明では、インバータ回路に係わる第１の解決手段として、外部から入力された直流電圧を昇圧することなく平滑コンデンサを備えたスイッチング回路でスイッチングして交流電圧に変換するインバータ回路であって、前記スイッチング回路の前段に突入電流防止回路を備える、という手段を採用する。

また、インバータ回路に係わる第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、突入電流防止回路は、外部からスイッチング回路に流れる通電電流に基づいて前記通電電流を自立的に抑制する、という手段を採用する。

また、インバータ回路に係わる第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、突入電流防止回路は、サーミスタを用いることによって前記通電電流を自立的に抑制する、という手段を採用する。

一方、本発明では、モータ制御装置に係わる第１の解決手段として、車輌用ターボチャージャに同軸接続されたモータを制御する制御装置であって、直流電源と、該直流電源から入力された直流電圧を昇圧することなく平滑コンデンサを備えたスイッチング回路でスイッチングすることにより交流電圧に変換して前記モータに供給すると共に、前記スイッチング回路の前段に突入電流防止回路を備えたインバータ回路と、前記インバータ回路を制御する制御部とを具備する、という手段を採用する。

また、モータ制御装置に係わる第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、突入電流防止回路は、直流電源からスイッチング回路に流れる通電電流に基づいて前記通電電流を自立的に抑制する、という手段を採用する。

また、モータ制御装置に係わる第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、突入電流防止回路は、サーミスタを用いることによって前記通電電流を自立的に抑制する、という手段を採用する。

また、モータ制御装置に係わる第４の解決手段として、上記第１の解決手段において、制御部は、前記モータの駆動状態に基づいてインバータ回路を制御する、という手段を採用する。

また、モータ制御装置に係わる第５の解決手段として、上記第４の解決手段において、制御部は、前記モータの駆動状態に関する情報を車輌に搭載されたＥＣＵ（Engine Control Unit）から取得する、という手段を採用する。

本発明によると、昇圧回路を持たないインバータ回路を備えたモータ制御装置において、
自立的に、もしくはモータの駆動状態に基づいて動作する突入電流防止回路を設けたので、モータ起動時の突入電流を抑制することができる。これにより、バッテリ及び平滑コンデンサの寿命を延ばすことができ、また、配線時に瞬時に流れる電流による作業者への感電の危険性を回避できる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係わるモータ制御装置の構成ブロック図である。なお、本実施形態は、車輌用ターボチャージャに同軸接続されたモータを制御するモータ制御装置であって、昇圧回路を持たないインバータ回路によってモータを駆動するタイプのモータ制御装置に関する。

図１において、符号Ｍはモータ、Ｔはタービン、Ｃはコンプレッサ、１はＥＣＵ（Engine Control Unit）、２はモータ制御装置であり、構成要素として、モータ制御部２ａ、突入電流防止回路２ｂ、スイッチング回路２ｃ、バッテリ２ｄ及び平滑コンデンサ２ｅを備える。

タービンＴ及びコンプレッサＣは同軸上に接続されターボチャージャを構成している。ターボチャージャは周知のようにエンジンの排気エネルギを利用してタービンＴを回転させることにより、このタービンＴと同軸上に接続されているコンプレッサＣを回転させ、吸入空気を過給するものである。モータＭはタービンＴ及びコンプレッサＣの同軸上に接続されており、スイッチング回路２ｃから印加されたモータ駆動電圧Ｖ_Ｍによって３相（Ｕ相、Ｖ相及びＷ相）駆動されるＤＣブラシレスモータである。モータＭはエンジンの運転状態に応じて駆動し、タービンＴを回転させる。

ＥＣＵ１は、エンジンの運転状態及びモータの駆動状態を監視、管理及び制御するものであり、エンジンの運転状態に応じてモータ起動信号をモータ制御部２ａへ出力する。モータ制御部２ａはＥＣＵ１から入力されるモータ起動信号に基づいて突入電流防止回路２ｂに突入電流制御信号を出力し、さらにスイッチング回路２ｃにモータ制御信号を出力するものである。

バッテリ２ｄは車輌に搭載された直流電源であり、直流電圧を突入電流防止回路２ｂを介してスイッチング回路２ｃに供給するものである。スイッチング回路２ｃは、モータＭのＵ相、Ｖ相及びＷ相に各々対応する複数のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を備え、バッテリ２ｄから供給された直流電圧をモータ制御部２ａから入力されたモータ制御信号に基づいて上記各ＩＧＢＴでスイッチングすることにより、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相に各々対応するモータ駆動電圧Ｖ_Ｍを生成してモータＭに供給する。なお、上記のＩＧＢＴに替えてＭＯＳＦＥＴを用いてスイッチングを行っても良い。

平滑コンデンサ２ｅは、バッテリ２ｄの出力端子間に介挿されており、バッテリ２ｄの直流電圧を平滑化するものである。

突入電流防止回路２ｂは、平滑コンデンサ２ｅが無充電状態にある場合において、バッテリ２ｄから直流電圧が出力された瞬間に平滑コンデンサ２ｅに流れる突入電流を、モータ制御部２ａから入力される突入電流制御信号に基づいて抑制するものである。

図２は、突入電流防止回路２ｂの内部構成を示す図である。図２のように突入電流防止回路２ｂはリレー３ａと抵抗器３ｂから構成されており、モータ制御部２ａから入力される突入電流制御信号に基づいてリレー３ａは抵抗器３ｂ側のスイッチまたはもう一方のスイッチをオン／オフする。

なお、上記のモータ制御装置２の構成要素のうち、突入電流防止回路２ｂ、スイッチング回路２ｃ及び平滑コンデンサ２ｅはモータＭを駆動するインバータ回路を構成している。

次に、このように構成された本モータ制御装置２の動作について図１及び図２を用いて説明する。

まず、エンジンが低回転で運転しているとする。低回転運転時の排気エネルギではタービンＴが十分に回転せず、吸入空気の過給も行えない。そこで、ＥＣＵ１は低回転運転時のエンジントルクを確保するため、モータＭを起動させるモータ起動信号をモータ制御部２ａに出力する。モータ制御部２ａは、モータ起動信号に基づき突入電流防止回路２ｂに突入電流制御信号を、またスイッチング回路２ｃにモータ制御信号を出力する。

リレー３ａは突入電流制御信号によって動作し、抵抗器３ｂ側のスイッチをオンにする。
この時、もう一方のスイッチはオープンであるため、バッテリ２ｄから出力される電流は抵抗器３ｂを介して平滑コンデンサ２ｅ及びスイッチング回路２ｃに流れることになる。これによりモータＭの起動時、すなわちバッテリ２ｄから直流電圧が出力された瞬間に平滑コンデンサ２ｅに流れる突入電流を抑制することができる。そして、モータ制御部２ａは、ある一定時間が経過したところでリレー３ａにもう一方のスイッチをオンにするような突入電流制御信号を出力し、定常運転では抵抗器３ｂを接続しないようにする。

そして、スイッチング回路２ｃは、モータ制御部２ａから入力されたモータ制御信号に基づいてモータ駆動電圧Ｖ_Ｍを生成してモータＭに供給する。このようにしてモータＭは駆動し、タービンＴ及びコンプレッサＣを回転させ、吸入空気の過給を行う。

以上のように、本モータ制御装置２によると、昇圧回路を持たず、平滑コンデンサ２ｅとバッテリ２ｄが直接接続されるインバータ回路において、平滑コンデンサ２ｅとバッテリ２ｄとの間に突入電流防止回路２ｂを設けたのでモータＭ起動時の突入電流を抑制することができ、結果、平滑コンデンサ２ｅ及びバッテリ２ｄの寿命を延ばすことができる。

また、従来ならばインバータ回路にバッテリ２ｄを接続する配線作業を行う際に突入電流が流れてしまい、作業者が感電する危険性があったが、本モータ制御装置２の製造過程においては、突入電流防止回路２ｂ、スイッチング回路２ｃ及び平滑コンデンサ２ｅで構成されるインバータ回路にバッテリ２ｄを接続する配線作業を行うため、突入電流は流れず安全な配線作業を行うことができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されず、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記ではモータ起動時にＥＣＵ１から出力されるモータ駆動信号に同期してリレー３ａを動作させていたが、図３に示すように突入電流防止回路２ｂの前段に電流計３ｃを接続して電流をモニタし、突入電流が検出された場合にモータ制御部２ａは突入電流制御信号を出力するようにしても良い。この場合、電流計３ｃの接続場所は突入電流防止回路２ｂの前段、後段を問わない。

（２）また、突入電流防止回路２ｂにサーミスタを用いても良い。これは、サーミスタの抵抗値が温度と反比例することを利用して突入電流を抑制するものである。このサーミスタは自己の持つ特性によって自立的に突入電流を抑制するので、上記のようにモータ制御部２ａによって制御する必要もなく、また電流計３ｃを接続して電流を検出する必要もないため、突入電流防止回路２ｂの部品点数を減らし、コストを下げることが可能である。このような自立的に突入電流を抑制する素子として、インダクタンス分を持つコイル等を用いても良い。

（３）本実施形態では、突入電流防止回路２ｂにリレー３ａをスイッチ機構として用いたが、このような機械的スイッチに限らず、半導体スイッチ（例えば、サイリスタ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等）を用いても良い。上記において、サイリスタを半導体スイッチとして用いた場合、図４に示すように２つのサイリスタ４ａを逆向きに並列接続することで、モータＭの回生発電による電気エネルギを回収することができる。

（４）また、突入電流防止回路２ｂに上記のような半導体スイッチ（サイリスタを除く）を用いる場合、これら半導体スイッチと抵抗器３ｂとの組み合わせではなく、半導体スイッチをチョッパ駆動させて電流を制御し、突入電流を防止しても良い。

（５）上記変形例（３）において、抵抗器３ｂと組み合わせることなく、機械的スイッチまたは半導体スイッチのみを用いても良い。すなわち、突入電流が流れる瞬間に機械的スイッチ及び半導体スイッチをオープンにして電流が流れないようにする。ただし、この場合機械的スイッチ及び半導体スイッチの動作時に突入電流が流れるので、バッテリ２ｄと平滑コンデンサ２ｅとの寿命に対する効果はないが、作業者の感電防止の効果はある。

（６）本実施形態では、モータＭの起動時に同期して突入電流防止回路２ｂを動作させたが、これに限らず、エンジンの起動信号を検出し、これに同期して突入電流防止回路２ｂを動作させても良い。

（７）また、エンジンのアイドリング時の排気によりタービンＴが回転するとモータＭも約３０００ｒｐｍで回転するので、回転数に比例した誘起電圧が発生する。この誘起電圧をモータ駆動状態として検出し、ある設定値を超えた場合にモータＭが駆動したと判断することで突入電流防止回路２ｂを動作させても良い。さらに上記の誘起電圧に替えて、回転速度またはモータＭの巻線温度を検出しても良い。

（８）また、タービンＴもしくはコンプレッサＣの、入口側または出口側の温度、流量または圧力のいずれかを検出し、ある設定値を超えた場合にモータＭが駆動したと判断することで突入電流防止回路２ｂを動作させても良い

（９）モータ制御部２ａの機能をＥＣＵ１に統合させ、ＥＣＵ１によって突入電流防止回路２ｂやスイッチング回路２ｃ等を制御しても良い。

本発明の実施形態におけるモータ制御装置の構成ブロック図である。本発明の実施形態における突入電流防止回路２ｂの内部構成図である。本発明の実施形態の変形例で、突入電流防止回路２ｂの前段に電流計３ｃを接続した場合を示す図である。本発明の実施形態の変形例で、突入電流防止回路２ｂにサイリスタを半導体スイッチとして用いた場合を示す図である。

符号の説明

Ｍ‥モータ、Ｔ‥タービン、Ｃ‥コンプレッサ、１‥ＥＣＵ、２‥モータ制御装置、２ａ‥モータ制御部、２ｂ‥突入電流防止回路、２ｃ‥スイッチング回路、２ｄ‥バッテリ、２ｅ‥平滑コンデンサ、３ａ‥リレー、３ｂ‥抵抗器、３ｃ‥電流計、
４ａ‥サイリスタ

Claims

外部から入力された直流電圧を昇圧することなく平滑コンデンサを備えたスイッチング回路でスイッチングして交流電圧に変換するインバータ回路であって、
前記スイッチング回路の前段に突入電流防止回路を備えることを特徴とするインバータ回路。
突入電流防止回路は、外部からスイッチング回路に流れる通電電流に基づいて前記通電電流を自立的に抑制することを特徴とする請求項１記載のインバータ回路。
突入電流防止回路は、サーミスタを用いることによって前記通電電流を自立的に抑制することを特徴とする請求項２記載のインバータ回路。
車輌用ターボチャージャに同軸接続されたモータを制御する制御装置であって、
直流電源と、
該直流電源から入力された直流電圧を昇圧することなく平滑コンデンサを備えたスイッチング回路でスイッチングすることにより交流電圧に変換して前記モータに供給すると共に、前記スイッチング回路の前段に突入電流防止回路を備えたインバータ回路と、
前記インバータ回路を制御する制御部と
を具備することを特徴とするモータ制御装置。
突入電流防止回路は、直流電源からスイッチング回路に流れる通電電流に基づいて前記通電電流を自立的に抑制することを特徴とする請求項４記載のモータ制御装置。
突入電流防止回路は、サーミスタを用いることによって前記通電電流を自立的に抑制することを特徴とする請求項５記載のモータ制御装置。
制御部は、前記モータの駆動状態に基づいてインバータ回路を制御することを特徴とする請求項４記載のモータ制御装置。
制御部は、前記モータの駆動状態に関する情報を車輌に搭載されたＥＣＵ（Engine Control Unit）から取得することを特徴とする請求項７記載のモータ制御装置。