JP2007082360A - 電動機の駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
検知した異常の内容と異常の影響度とを上位コントローラに同時に確実に通知できる電動機の制御装置を提供すること。
【解決手段】
本発明の電動機の駆動制御装置は、直流電源を交流に変換し、負荷の電動機を駆動する主回路部と、主回路部の電力半導体スイッチング素子を駆動するドライバ回路部と、ドライバ回路部へ駆動信号を送る上位コントローラとを備え、前記ドライバ回路部が、異常検知回路部と、検知した異常の種類に対応したデューティにしたＰＷＭパルスを異常情報として上位コントローラへ送る異常情報ＰＷＭ変換部とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機の駆動制御装置に関わる。

電車、自動車等の輸送機関では、搭載した電動機を駆動するインバータ装置を備えており、そのインバータ装置は異常検知して保護動作を行うことが一般的である。検知する異常には、上下アームに設けられたＩＧＢＴに流れる過電流の検知、インバータ装置に設置された温度センサによる温度異常の検知、電源電圧の低下による低電圧の異常検知などがある。そして、インバータ装置から上位コントローラ等に検知した異常の内容、及び動作状態を通知する必要がある。

上位コントローラ等に上記情報を通知する手段の一つに、複数の種類のデータを時系列にして１つの信号線で伝達するシリアルデータ通信方式があり、送信するデータに対応して一定周期パルスのデューティを設定するＰＷＭ通信方式がある。特許文献１には、ＣＰＵ間でデータ通信を行うＰＷＭ通信方式で、複数種類のデータを１つの信号線で伝達するために、ヘッダ部とデータ部とに分けて送受信する方式が開示されている。

特開平３−１５１７３５号公報（第１図、第２図）

上位コントローラ等に情報を通知する際に、特許文献１に記載のＰＷＭ通信方式では、１つの信号線で複数種類のデータを伝達するため、ヘッダとデータとにパルスを分ける必要があるので、変調回路と復調回路が複雑になる。

本発明の目的は、検知した異常の内容と異常の影響度とを上位コントローラに同時に確実に通知できる電動機の制御装置を提供することである。

本発明の電動機の駆動制御装置は、直流電源を交流に変換し、負荷の電動機を駆動する主回路部と、主回路部の電力半導体スイッチング素子を駆動するドライバ回路部と、ドライバ回路部へ駆動信号を送る上位コントローラとを備え、前記ドライバ回路部が、異常検知回路部と、検知した異常の種類に対応したデューティにしたＰＷＭパルスを異常情報として上位コントローラへ送る異常情報ＰＷＭ変換部とを備えている。

本発明によれば、検知した異常の内容を上位コントローラに確実に通知できる。

以下、本発明の詳細を図面を用いながら説明する。

本実施例のモータ駆動システムを図１に示す。本実施例のモータ駆動システムは、３相ドライバ回路１０００と、マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）などの上位コントローラ２０００と、直流を周波数可変の３相交流に電力変換するインバータである主回路３０００と、主回路３０００が出力する３相交流で駆動されるモータ４０００と、主回路３０００に直流を供給するコンバータやバッテリなどの直流電源とを備えている。

本実施例の主回路３０００には、図１に示していないＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴなどの電力半導体スイッチング素子を３相分備え、さらに、それぞれの電力半導体スイッチング素子を内蔵したパワーモジュールには、電流センサ３１００と、温度センサ３２００と、図１には示していない電圧センサとが組み込まれている。電流センサ３１００と温度センサ３２００と電圧センサは、主回路３０００が出力する３相交流であるＵ相、Ｖ相、Ｗ相を出力する３つの上下各アームの電力半導体スイッチング素子の温度と電流と電圧とを監視している。３相ドライバ回路１０００は、主回路３０００の上アームと下アームの電力半導体スイッチング素子を駆動する上アーム側ドライバ回路１００と下アーム側ドライバ回路２００と、レベルシフト回路３００とを備えている。３相ドライバ回路１０００の上アーム側ドライバ回路１００と下アーム側ドライバ回路２００とには、異常情報ＰＷＭ変換回路１１０、２１０と、異常検知記憶部１２０、２２０と、低電圧検知回路１３０、２３０と、過電流検知回路１４０、２４０と、温度異常検知回路１５０、２５０と、論理回路であるＯＲ回路１６０、２６０と、異常処理部１７０、２７０と、駆動回路１８０、２８０とを備えている。

まず、３相ドライバ回路１０００の駆動動作を説明する。上位コントローラ２０００から来た上アーム駆動信号が、レベルシフト回路３００を介して上アーム側ドライバ回路１００の駆動回路１８０に渡され、駆動回路１８０が出力するゲート駆動信号で、主回路３０００の上アーム側のＩＧＢＴ又はパワーＭＯＳＦＥＴを駆動する。同様に、上位コントローラ２０００から来た下アーム駆動信号が、下アーム側ドライバ回路２００の駆動回路２８０に渡され、駆動回路２８０が出力するゲート駆動信号で、主回路３０００の下アーム側のＩＧＢＴ又はパワーＭＯＳＦＥＴを駆動する。

主回路３０００では、直流電源５０００から直流電力の供給を受け、上アーム側の駆動回路１８０と下アーム側の駆動回路２８０からの駆動信号に応じてスイッチングして３相交流を発生し、負荷のモータ４０００を駆動する。

次に、３相ドライバ回路１０００の異常検知動作について上アーム側ドライバ回路１００を例に説明する。図１に示すように本実施例では、異常検知回路として、直流電源５０００の電圧が所定値よりも低い場合に異常を検知する低電圧検知回路１３０と、主回路３０００内部に配置した電流センサ３１００が主回路３０００に流れ込む直流電源５０００の電流が、所定値よりも大きい場合の異常を検知する過電流検知回路１４０と、主回路３０００内部の温度、特に電力半導体スイッチング素子の温度を検知する温度センサの出力が所定値よりも高い場合の異常を検知する温度異常検知回路１５０の３種類を備えている。これ以外にも適宜必要な異常検知回路を備えていても良い。

それぞれの異常検知回路で検知し、各異常検知回路から出力された各異常信号は、ＯＲ回路１６０に入力して論理和をとり、ＯＲ回路１６０から異常処理部１７０に出力される。異常処理部１７０では、入力信号が異常信号を含む場合、駆動回路１８０に信号を送り、駆動回路１８０が出力する主回路３０００の駆動信号を停止させて、主回路３０００の電力変換動作を止める。

また、低電圧検知回路１３０と過電流検知回路１４０と温度異常検知回路１５０とが検知したそれぞれの異常信号を、異常検知記憶部１２０で記憶し、異常検知記憶部１２０では上位コントローラ２０００からクリア信号を受けるまで記憶した異常の内容を保持する。異常情報ＰＷＭ変換回路１１０には、異常検知記憶部１２０が出力する異常情報と、駆動回路１８０が出力する動作状態信号とが入力される。異常情報ＰＷＭ変換回路１１０は、上位コントローラ２０００が送信するデータモード信号を受けて、上位コントローラ２０００が要求している異常情報あるいは動作状態情報を、ＰＷＭパルスの所定のデューティに変換して、上位コントローラ２０００に向けて出力する。下アーム側ドライブ回路２００も上アーム側ドライブ回路１００と同様に動作する。本実施例では上位コントローラ２０００へ送信する信号にヘッダは配置していない。そのため、上位コントローラ２０００は受信する最初のパルスは空読みし、２つ目以降のパルスのデューティを検出して必要な情報を読み取っている。

次に、異常情報ＰＷＭ変換回路１１０、２１０の内部構成の詳細について、図２を用いて説明する。図２に示すように、本実施例の異常情報ＰＷＭ変換回路１１０、２１０には、エンコーダ１０とクロック発振器５０と、クロック分周回路４０とカウンタである４ビットカウンタ２０と比較器３０とが含まれている。上位コントローラ２０００が発するデータモード信号は、異常情報ＰＷＭ変換回路１１０、２１０が上位コントローラ２０００に通知するデータの種類を指定する信号である。例えば、データモード信号が「０」の場合には、上位コントローラ２０００が異常情報ＰＷＭ変換回路１１０、２１０に、異常情報のデータを要求している場合であり、データモード信号が「１」の場合には、上位コントローラ２０００が動作状態のデータを要求している場合である。このデータモード信号は、異常情報ＰＷＭ変換回路１１０、２１０を構成するクロック分周回路４０とエンコーダ１０とに渡される。なお、クロック発振器５０を異常情報ＰＷＭ変換回路１１０、２１０に内蔵させずにクロック信号を外部から、例えば上位コントローラ２０００などから供給しても良い。

図２に示すように、本実施例では、クロック分周回路４０は、データモード信号が動作状態のデータを要求している場合の「１」であれば、クロック信号の周期を倍の２Ｔにして、すなわちクロック信号の周期を長くして、４ビットカウンタ２０にクロックを供給する。逆に、クロック分周回路４０は、データモード信号が異常情報のデータを要求している場合の「０」であれば、クロック信号の周期はそのままのＴにして、４ビットカウンタ２０にクロックを供給する。このように本実施例では上位コントローラ２０００が要求しているデータの種類に応じてＰＷＭパルスの周期を変更する。本実施例では、異常情報ＰＷＭ変換回路１１０、２１が送信する情報の種類が多い異常情報の場合にクロック信号の周期を短くし、短時間で情報を送信できるように設定した。

エンコーダ１０は、データモード信号が異常情報のデータを要求している場合の「０」であれば、過電流検知、温度異常検知、低電圧検知の各異常情報の組み合わせから図３に示すようなエンコード値を比較器３０に出力する。図３に示したエンコード値を詳しく説明する。本実施例では、検知した過電流、温度、低電圧の各異常の影響が大きくなる情報の組み合わせになるほど、エンコード値に大きな数値を割り当てた。このように影響度が高い組み合わせのエンコード値を大きな値にして、影響が大きい場合になるほどＰＷＭパルスのデューティを大きくした。本実施例では、過電流検知、温度異常検知、低電圧検知の順に影響度を高く、すなわち、異常検出結果の有無を表現する「０」、「１」の各信号に重みをつけて設定した。

また、エンコーダ１０は、データモード信号が動作状態のデータを要求している場合の「１」であれば、図４に示すように、動作状態信号を通常駆動動作である「０」か、保護駆動動作である「１」の何れかをエンコード値としてを割り当てて、比較器３０に出力する。

本実施例では、エンコード値の割り当てに、２進数で表現した４ビットの各桁全てが「０」になる１０進数表現の「０」と、２進数で表現した４ビットの各桁全てが「１」になる１０進数表現の「１５」とは使用しない。このようにＰＷＭパルスのデューティが０％はＬレベル固定、１００％はＨレベル固定とすることで、３相ドライバ回路１０００自身の故障、例えば電源ラインの断線やクロックライン等の断線等における出力信号のＬレベル及びＨレベルの縮退故障も判定し、上位コントローラ２０００で対応処理できる。

４ビットカウンタ２０は、クロック分周回路４０から供給されるクロック信号のエッジを検出して４ビットカウント値上限の「１５」までインクリメント（＋１を処理する動作）し、「１５」の次のインクリメントでは「０」に戻る動作を繰り返す。そのカウント値を比較器３０に出力する。

比較器３０は、４ビットカウンタ２０のカウンタ値と図３、図４に示したエンコード値が、カウンタ値＜エンコード値となる場合に「１」を出力し、それ以外の場合は「０」を出力する。このように、本実施例では、異常情報ＰＷＭ変換回路１１０、２１０から、ヘッダを付けずにＰＷＭパルスを上位コントローラ２０００に送信する。

図５に本実施例のエンコード値とＰＷＭパルスのデューティとを示す。図５に示すように、３相ドライバ回路１０００自身の故障には、エンコード値の最小値である「０」と最大値である「１５」とを割り当てて、デューティを０％あるいは１００％とする。また、異常がない場合には、通常駆動と同じエンコード値である２番目に小さな値「１」を割り当てて、デューティを６．６７％とする。本実施例では、異常を検知すると、デューティが５０％以上１００％未満に相当するエンコード値である「８」から「１４」を、異常状態の影響の軽重に応じて割り当てる。具体的には、本実施例では、異常を検知すると、５３．３３％〜９３．３％のデューティのＰＷＭパルスを出力する。このように、本実施例では、異常を検知した場合のデューティを、異常がない場合のデューティの８倍から１４倍に設定してあるので、伝送途中にパルス幅が狭いモータなどに起因するノイズの影響を受けることが少なく、確実に上位コントローラ２０００に異常の有無を情報伝達できる。また、本実施例では、ヘッダをつけることなくデータを送信するので、ＰＷＭの変調と復調が容易にできる。

本実施例では、過電流、温度異常、低電圧の３種類の異常の有無を「０」、「１」で表現し、さらに３相ドライバ回路１０００自身の故障も検知するために３種類に１種類を加えた４種類を判別するために４ビットのカウンタを用いたが、検出する異常の種類の数に基づいて４ビットよりデータ幅が広い８ビットや１６ビットのカウンタを用いても構わない。

以上説明したように、本実施例によれば、変調と復調が容易でデータの種類も区別できるＰＷＭパルスを出力し、ＰＷＭパルスのデューティの大小に、異常検知した内容の影響の大小を割り当てて、異常検知の内容とランクを確実に上位コントローラ２０００に伝達できる。

なお、本実施例では、異常情報ＰＷＭ変換回路と、異常検知記憶部と、低電圧検知回路と、過電流検知回路と、温度異常検知回路と、論理回路であるＯＲ回路と、異常処理部とを、上下各アームのドライバ回路に備えた場合を説明したが、これらの回路の全部あるいは一部を上下一方のアームのドライバ回路だけに備えても良く、例えば、低電圧検知回路を一方のアームのドライバ回路だけに設けても良い。

実施例１のモータ駆動システムの説明図。 実施例１の異常情報ＰＷＭ変換回路の構成図。 実施例１でエンコーダが出力する異常検知内容のエンコード値の説明図。 実施例１でエンコーダが出力する動作状態信号のエンコード値の説明図。 実施例１のエンコード値とＰＷＭパルスのデューティの関係の説明図。

符号の説明

１０…エンコーダ、２０…４ビットカウンタ、３０…比較器、４０…クロック分周回路、５０…クロック発振器、１００…上アーム側ドライバ回路、１１０、２１０…異常情報ＰＷＭ変換回路、１２０、２２０…異常検知記憶部、１３０、２３０…低電圧検知回路、１４０、２４０…過電流検知回路、１５０、２５０…温度異常検知回路、１６０、２６０…ＯＲ回路、１７０、２７０…異常処理部、１８０、２８０…駆動回路、２００…下アーム側ドライバ回路、３００…レベルシフト回路、１０００…３相ドライバ回路、２０００…上位コントローラ、３０００…主回路、３１００…電流センサ、３２００…温度センサ、４０００…モータ、５０００…直流電源。

Claims (12)

1. 直流電源を交流に変換し、負荷の電動機を駆動する主回路部と、該主回路部の電力半導体スイッチング素子を駆動するドライバ回路部と、該ドライバ回路部へ駆動信号を送る上位コントローラとを備えた電動機の駆動制御装置において、
   前記ドライバ回路部が、
   異常検知回路部と、該異常検知回路部が検知した異常情報を、ＰＷＭパルスのデューティの大小に変換して前記上位コントローラに送る異常情報ＰＷＭ変換部とを備えることを特徴とする電動機の駆動制御装置。
2. 請求項１に記載の電動機の駆動制御装置において、
   前記ドライバ回路部が、複数の種類の異常を検知する異常検知回路部を備え、
   前記異常情報ＰＷＭ変換部が、検知した該複数の種類の異常に対応したデューティにＰＷＭパルスを変換することを特徴とする電動機の駆動制御装置。
3. 請求項２に記載の電動機の駆動制御装置において、
   前記異常情報ＰＷＭ変換部が、前記検知した複数の種類の異常の有無を、各異常の影響度の大小に応じて重み付けたエンコード値に変換し、該エンコード値に基づいたＰＷＭパルスのデューティの大小に変換することを特徴とする電動機の駆動制御装置。
4. 請求項２に記載の電動機の制御装置において、
   前記異常情報ＰＷＭ変換部が、前記検知した複数の種類の異常の有無を各異常の影響度の大小に応じて複数の桁の２進数で表現したエンコード値に変換し、該エンコード値に基づいてＰＷＭパルスのデューティの大小を変換することを特徴とする電動機の駆動制御装置。
5. 請求項２に記載の電動機の制御装置において、
   前記複数の種類の異常が、過電流と温度異常と低電圧異常とを含むことを特徴とする電動機の駆動制御装置。
6. 請求項１に記載の電動機の制御装置において、
   前記異常情報ＰＷＭ変換部が、前記上位コントローラに前記異常情報あるいはドライバ回路部の動作状態信号をＰＷＭパルスで発信し、
   該ＰＷＭパルスの周期が異常情報と動作状態信号とで異なることを特徴とする電動機の駆動制御装置。
7. 請求項６に記載の電動機の駆動制御装置において、
   前記ドライバ回路部が、複数の種類の異常を検知する異常検知回路部を備え、
   前記異常情報ＰＷＭ変換部が、検知した該複数の種類の異常に対応したデューティにＰＷＭパルスを変換することを特徴とする電動機の駆動制御装置。
8. 請求項７に記載の電動機の駆動制御装置において、
   前記異常情報ＰＷＭ変換部が、前記検知した複数の種類の異常の有無を、各異常の影響度の大小に応じて重み付けたエンコード値に変換し、該エンコード値に基づいたＰＷＭパルスのデューティの大小に変換することを特徴とする電動機の駆動制御装置。
9. 請求項８に記載の電動機の制御装置において、
   前記ドライバ回路部に異常が発生した場合の異常情報が、前記ＰＷＭパルスのデューティが０％あるいは１００％になることを特徴とする電動機の駆動制御装置。
10. 直流電源を周波数可変の３相交流に変換し、負荷の電動機を駆動する主回路部と、該主回路部の電力半導体スイッチング素子を駆動するドライバ回路部と、該ドライバ回路部へ駆動信号を送る上位コントローラとを備えた電動機の駆動制御装置において、
    前記主回路部が、上アームと下アームを３組備え、
    前記ドライバ回路部が、上アーム側ドライバ回路部と下アーム側ドライバ回路部とを備え、
    該上アーム側ドライバ回路部と下アーム側ドライバ回路部とが、異常検知回路部と、前記異常検知回路部が検知した異常情報を、ＰＷＭパルスのデューティの大小に変換して前記上位コントローラに送る異常情報ＰＷＭ変換部とを備えることを特徴とする電動機の駆動制御装置。
11. 請求項１０に記載の電動機の制御装置において、
    前記異常検知回路部が、複数の種類の異常を検知し、
    前記異常情報ＰＷＭ変換部で、検知した複数の種類の異常の有無を各異常の影響度の大小に応じて重み付けたエンコード値に変換し、該エンコード値に基づいたＰＷＭパルスのデューティの大小に変換することを特徴とする電動機の駆動制御装置。
12. 直流電源を交流に変換し、負荷の電動機を駆動する主回路部と、該主回路部の電力半導体スイッチング素子を駆動するドライバ回路部と、該ドライバ回路部へ駆動信号を送る上位コントローラとを備えた電動機の駆動制御装置において、
    前記ドライバ回路部が、異常検知回路部と、異常情報ＰＷＭ変換部とを備え、
    該異常情報ＰＷＭ変換部が、前記異常検知回路部が検知した異常情報を、ＰＷＭパルスのデューティを５０％以上１００％未満の値に変換して前記上位コントローラに送ることを特徴とする電動機の駆動制御装置。
    

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