JP2007289000A - インバータの故障検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高速のＡ／Ｄ変換器が不要であり、更に、母線電圧の電圧利用率を高めることが可能な三相ＰＷＭインバータの故障検出装置を実現する。
【解決手段】三相ＰＷＭインバータ５２の母線電圧を監視する母線電圧監視回路５６と、三相ＰＷＭインバータ５２の各相の出力電圧を加算するとともに、加算した出力電圧を遮断周波数がＰＷＭ搬送波周波数よりも低い低域通過特性を有するフィルタを介して出力する出力電圧監視回路５５ａと、出力電圧監視回路５５ａから出力される出力電圧値が、母線電圧監視回路５６が監視する母線電圧の３／２倍に対応する電圧値とほぼ同じのときに、三相ＰＷＭインバータ５２が故障と判定する故障判定手段６０ａを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、インバータ（例えば、三相ＰＷＭインバータ）の故障検出を行う故障検出装置に関するものである。

例えば、特許第２９０２４５５号公報などに示された従来の三相電力変換器（三相インバータ）の故障検出装置は、三相電力変換器に係わる三相電圧と三相電流を検出する検出器と、この検出器によって検出された三相電圧と三相電流のアナログ信号をサンプルホールドするサンプルホールド回路と、検出器によって検出された三相電圧と三相電流のアナログ信号を順番に１つづつ選択して出力するマルチプレクサと、このマルチプレクサによって順次選択された三相電圧と三相電流のアナログ信号を順次ディジタル値に変換して出力するＡ／Ｄ変換器と、このＡ／Ｄ変換器により順次変換される三相電圧と三相電流のディジタル値を読込み、その値を用いて制御演算を行うマイクロプロセッサを備え、マイクロプロセッサが読込んだ各相の電圧値の和と各相の電流値の和が、それぞれゼロを中心とするある範囲内の場合は正常とし、その範囲を逸脱する場合は異常と判定している。
即ち、上記特許公報に記載されたような従来の三相インバータの故障検出装置によれば、三相の相電圧の瞬時値と相電流の瞬時値をサンプルホールド回路を介してＡ／Ｄ変換し、相電圧の加算値と相電流の加算値が共に０の近傍にあるか否かを検出することによって、故障判定をしている。
特許第２９０２４５５号公報（図１）

従来の三相インバータの故障検出装置は、以上のように構成されているので、矩形波状のインバータ出力電圧の瞬時値を観測するために高速のＡ／Ｄ変換器が必要であるという問題点があった。
また、母線電圧が低い車載用の三相インバータなどにおいては、母線電圧の電圧利用率を高めるために、線間電圧（即ち、各相間の電圧）が正弦波となるように三相インバータを制御する場合がある。
そのような場合には、相電圧の加算値は０とはならず、三相インバータの故障を検出できないという問題があった。
なお、母線電圧とは、交流電圧に変換するために三相インバータに印加される直流電圧（例えば、車載用の三相インバータの場合はバッテリ電圧）のことである。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、高速のＡ／Ｄ変換器が不要であり、さらに、母線電圧の電圧利用率を高めることが可能なインバータの故障検出装置を提供することを目的とする。
また、高速のＡ／Ｄ変換器が不要であり、母線電圧の電圧利用率を高めることが可能であるとともに、各相の出力電圧が正弦波となる第１の駆動方式あるいは各出力線間電圧が正弦波となる第２の駆動方式のいずれの駆動方式においても、常時故障判定が可能となるインバータの故障検出装置を提供することを目的とする。

この発明に係わるインバータの故障検出装置は、三相ＰＷＭインバータの母線電圧を監視する母線電圧監視回路と、三相ＰＷＭインバータの各相の出力電圧を加算するとともに、加算した出力電圧を遮断周波数がＰＷＭ搬送波周波数よりも低い低域通過特性を有するフィルタを介して出力する出力電圧監視回路と、上記出力電圧監視回路から出力される出力電圧値が上記母線電圧監視回路が監視する母線電圧の３／２倍に対応する電圧値の近傍の値でないときに上記三相ＰＷＭインバータが故障と判定する故障判定手段を備えたものである。

また、この発明に係わるインバータの故障検出装置は、三相ＰＷＭインバータの各相の出力電圧を監視するとともに、遮断周波数がＰＷＭ搬送波周波数よりも低い低域通過特性を有するフィルタを介して出力する出力電圧監視回路と、上記出力電圧監視回路から出力される出力電圧に基づいて、各相間の線間電圧を求めて加算する線間電圧加算手段と、上記線間電圧加算手段による各線間電圧の加算値がゼロ近傍の値でないときに、上記三相ＰＷＭインバータが故障と判定する故障判定手段を備えたものである。

第１の発明に係わるインバータの故障検出装置によれば、高速のＡ／Ｄ変換器の使用が不要となる。
また、第２の発明に係わるインバータの故障検出装置によれば、高速のＡ／Ｄ変換器の使用が不要であり、母線電圧の電圧利用率を高めることができるとともに、各相の出力電圧が正弦波となる第１の駆動方式あるいは各出力線間電圧が正弦波となる第２の駆動方式のいずれの駆動方式においても故障判定が可能となる。

以下、図面に基づいて、本発明の一実施の形態について説明する。
なお、各図間において、同一符合は、同一あるいは相当のものを表す。
実施の形態１．
以下、図面に基づいて、本発明の一実施の形態について説明する。
図1は、実施の形態１によるインバータの故障検出装置を、例えば車載用モータのコントローラに適用した場合の構成例を示すブロック図である。
図において、１はコントローラ、２は車載用のモータであり、モータ２はＤＣブラシレスモータを用いている。
３は、モータ２の磁極に応じた相を励磁するために、モータ２の回転子角度を検出する回転子角度センサ、４はバッテリである。

５１は、回転子角度センサ３が検出する回転子角度信号をコントローラ１に入力するための入力インタフェース、５２は、モータ２を駆動する三相ＰＷＭ（PulseWidth Modulation）インバータ、５３は、三相インバータ５２を駆動するためのゲート駆動回路、５４は、ゲート駆動回路５３への通電を遮断するためのスイッチ手段である。
また、５５ａは、三相ＰＷＭインバータ５２の出力電圧を監視するための出力電圧監視回路、５６は、母線電圧（図１の例では、バッテリ４のバッテリ電圧）を監視するための母線電圧監視回路、５７は、三相ＰＷＭインバータ５２を制御するための第１のマイクロコントローラ（第１の制御部）、５８は第1のマイクロコントローラ（第１の制御部）５７を含め、電動パワーステアリング装置などの動作を検出するための第２のマイクロコントローラ（第２の制御部）である。
また、６０ａは、出力電圧監視回路５５ａからの出力電圧に基づいて、三相ＰＷＭインバータ５２が故障しているか否かを判定する故障判定手段であり、故障判定手段６０ａは第1のマイクロコントローラ（第１の制御部）５７内に配置されている。

次に、本実施の形態によるインバータの故障検出装置の動作について説明する。
第1のマイクロコントローラ（第１の制御部とも称す）５７は、回転子角度センサ３が検出する回転子角度信号に基づいてバッテリ４から供給される直流電圧（即ち、母線電圧）を三相ＰＷＭインバータ５２によって三相交流電圧に変換する。
そして、第1のマイクロコントローラ（第１の制御部）５７は、変換された三相交流電圧に応じてモータ２を駆動するために、ゲート駆動回路５３を介して三相インバータ５２の出力電圧を制御する。これを、第1の駆動方式とする。
なお、三相ＰＷＭインバータ５２から出力される三相交流電圧はＰＷＭ（Pulse Width Modulation）されており、各相の出力電圧波形は矩形波状になる。
バッテリ４の電圧値をＶ_Ｂとすると、各相電圧が正弦波電圧のとき線間電圧の最大値は、３^１／２・Ｖ_Ｂ／２となり、電源電圧（即ち、バッテリ４の電圧値Ｖ_Ｂ）の利用率が悪い。

そこで、各相電圧に３次高調波を重畳し、線間電圧を正弦波に保ちながら電源電圧の利用率を高める方法が知られている。
モータ２の負荷が大きく、回転速度が大きい場合は、印加電圧が不足する傾向にある。
そのため、ここでは、回転子角度センサ３からの回転子角度信号に基づいて、モータ２の回転速度が所定値以上の場合に当該駆動方式（即ち、各相電圧に３次高調波を重畳し、線間電圧を正弦波に保ちながら電源電圧の利用率を高める方法）にて三相ＰＷＭインバータ５２を駆動する。これを第２の駆動方式とする。

ここで、三相ＰＷＭインバータ５２の出力である三相交流電圧を加算すると、三相ＰＷＭインバータ５２の中性点の電圧になる。
従って、第1の駆動方式では、相電圧の加算値（即ち、中性点の電圧）が０かどうかを
検出することによって、三相インバータ５２が地絡等の故障を発生しているか否かを検出できる。
出力電圧監視回路５５ａは、このような目的で設けられており、三相インバータ５２の各相電圧を加算するとともに、ＰＷＭの搬送波成分を除去し、三相インバータ５２が正常時には中性点電圧に相当する値が得られるように構成されている。
即ち、出力電圧監視回路５５ａは、三相ＰＷＭインバータ５２の各相の出力電圧を加算するとともに、加算した出力電圧を遮断周波数がＰＷＭ搬送波周波数よりも低い低域通過特性を有するフィルタ（Ｒ１、Ｒ２、Ｃ１で構成）を介して出力する。

ここで、各相の出力電圧をＶ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、出力電圧監視回路５５ａの出力電圧をＶ_０、sをラプラス演算子とすると、
Ｖｏ ＝ Ｒ’Ｖｃｃ＋Ｒ”（Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３）／（１＋τｓ） ・・・（１）
ただし、
Ｖｃｃは所定の定電圧
Ｒ’ ＝ ｛Ｒ１//（Ｒ/３）｝／［Ｒ２＋｛Ｒ１//（Ｒ/３）｝］
Ｒ” ＝ ｛Ｒ１//Ｒ２//（Ｒ/２）｝／［Ｒ＋｛Ｒ１//Ｒ２//（Ｒ/２）｝］
τ＝ Ｃ・Ｒ・Ｒ”
となる。
τは、ＰＷＭ搬送波周期に比べて十分長く、かつ、地絡検出の遅延が無視できるように設定する。
例えば、ＰＷＭ搬送波周期が５０μｓのとき、τ＝１ｍｓ程度とすればよい。

上述の通り、母線電圧(バッテリ電圧)をＶ_Ｂとすると、ＰＷＭ搬送波が除去されておれば、第1の駆動方式では、上記（１）式において、Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３＝３Ｖ_Ｂ／２であり、Ｖｏ＝Ｒ’Ｖｃｃ＋３Ｒ”Ｖ_Ｂ／２となる。
つまり、「Ｖｏ＝Ｒ’Ｖｃｃ＋３Ｒ”Ｖ_Ｂ／２」は、母線電圧Ｖ_Ｂの３／２倍に対応する出力電圧監視回路（出力電圧監視手段）５５ａの出力電圧値である。
そこで、第1のマイクロコントローラ（第１の制御部）５７内の故障判定手段６０ａは、モータ２の回転速度が小さく、上記第１の駆動方式で三相ＰＷＭインバータ５２を駆動している場合に、出力電圧監視回路（出力電圧監視手段）５５ａの出力電圧Ｖｏが、母線電圧監視回路５６が検出する母線電圧Ｖ_Ｂに基づく所定範囲内にあるか否かを検証することによって、故障判定する。
即ち、故障判定手段６０ａは、出力電圧監視回路５５ａから出力される出力電圧値Ｖｏが、母線電圧監視回路５６が監視する母線電圧Ｖ_Ｂの３／２倍に対応する電圧値（即ち、Ｒ’Ｖｃｃ＋３Ｒ”Ｖ_Ｂ／２）の近傍の値でないときに、三相ＰＷＭインバータ５２は故障であると判定する。

以上説明したように、本実施の形態によるインバータの故障検出装置は、三相ＰＷＭインバータ５２の母線電圧を監視する母線電圧監視回路（母線電圧監視手段）５６と、三相ＰＷＭインバータ５２の各相の出力電圧を加算すると共に、加算した出力電圧を遮断周波数がＰＷＭ搬送波周波数よりも低い低域通過特性を有するフィルタを介して出力する出力電圧監視回路（出力電圧監視手段）５５ａと、該出力電圧監視回路（出力電圧監視手段）５５ａから出力される出力電圧値が母線電圧監視回路（母線電圧監視手段）５６が監視する母線電圧の３／２倍に対応する電圧値の近傍の値でないときに、三相ＰＷＭインバータ５２が故障と判定する故障判定手段６０ａを第1のマイクロコントローラ（第１の制御部）５７内に備えている。
従って、本実施の形態によるインバータの故障検出装置によれば、従来用いられていた高速のＡ／Ｄ変換器（矩形波状のインバータ出力電圧の瞬時値を検出するための高速Ａ／Ｄ変換器）は不要であり、さらに母線電圧の電圧利用率を高めることも可能となる。

なお、故障判定手段６０ａが三相ＰＷＭインバータ５２の故障を判定すると、第1のマイクロコントローラ（第１の制御部）５７は、ゲート駆動回路５３に対して、三相ＰＷＭインバータ５２によるモータ２への通電を遮断するべく指示する。
これにより、モータ２を駆動中は勿論のこと、駆動する前から、三相ＰＷＭインバータ５２の地絡故障を検出し、モータ２の焼損等を未然に防止することができる。
また、スイッチ手段５４の接点を開き、ゲート駆動回路５３への電源供給を遮断する。 これにより、ゲート駆動回路５３が故障の場合にも、モータ２への異常な通電を防止できる。

また、以上の説明では、第1のマイクロコントローラ（第１の制御部）５７内に故障判定手段６０ａを設けた場合について説明したが、第２のマイクロコントローラ（第２の制御部）５８内に故障判定手段６０ａを設けることにより、同様に、第２のマイクロコントローラ（第２の制御部）５８も三相ＰＷＭインバータ５２の故障判定することができる。 三相ＰＷＭインバータ５２が故障と判定すると、スイッチ手段５４の接点を開き、ゲート駆動回路５３への電源供給を遮断し、三相ＰＷＭインバータ５２の出力を禁止する。
これにより、第1のマイクロコントローラ（第１の制御部）５７の暴走によるモータ２への異常な通電も防止できる。

なお、ここでは三相ＰＷＭインバータ５２の駆動方式を切り換える場合について説明したが、常時第１の駆動方式とし、本方式により常時故障監視してもよいことは言うまでもない。
また、上述の説明では、ゲート駆動回路５３の電源を遮断していたが、モータ駆動回路（即ち、三相ＰＷＭインバータ５２）とバッテリ４の間にスイッチ手段を設け、このスイッチ手段によってバッテリ電圧の印加を遮断してもよい。
これにより、モータ駆動回路（三相ＰＷＭインバータ５２）の故障によるモータ２への異常な通電を防止することができる。

また、出力電圧監視回路５５ａのフィルタ（ローパスフィルタ）は、一次の低域通過特性としたが、二次の低域通過特性でも良い。
この場合には、より急峻にＰＷＭ搬送波成分を除去することができ、地絡検出の遅れを防止できる。
また、母線電圧に基づき判定しきい値を設定していたが、バッテリ４の電圧が一定と見なせる場合には、故障判定しきい値を一定値としてもよい。
また、一次の低域通過特性によりＰＷＭ搬送波を除去していたが、ＰＷＭ搬送波と同期して出力電圧監視回路５５ａの出力をサンプリングすることによって、ＰＷＭ搬送波成分を除去してもよい。

また、モータ２の回転速度が小さいときに第1の駆動方式とし、回転速度が大きいときに第２の駆動方式としていたが、三相ＰＭＷインバータ５２に出力させる相電圧振幅が所定値以下のときに第1の駆動方式とし、相電圧振幅が所定値以上のときに電源電圧の利用率を高めるために第２の駆動方式としてもよい。
また、線間電圧振幅が所定値以下のときに第1の駆動方式とし、線間電圧振幅が所定値以上のときに第２の駆動方式としてもよい。

また、相電流を検出する手段を備え、検出した相電流の振幅が所定値以下の場合に第1の駆動方式とし、検出した相電流の振幅が所定値以上の場合に電源電圧の利用率を高めるために第２の駆動方式としてもよい。
もちろん、電流フィードバック制御する場合には、目標相電流振幅やｄ‐ｑ軸（２軸直流座標軸）上の目標電流が所定値以下の場合に第1の駆動方式、所定値以上の場合に第２の駆動方式としてもよい。
さらにまた、母線電圧が所定値以上の場合に上記第1の駆動方式、所定値以下の場合に電源電圧の利用率を高めるべく第２の駆動方式としてもよい。

実施の形態２．
前述の実施の形態１では、相電圧の加算値に基づいて、三相ＰＷＭインバータの故障を判定しているが、線間電圧に基づいて故障判定してもよい。
この場合、実施の形態１で示した三相ＰＷＭインバータのいずれの駆動方式（即ち、第１の駆動方式あるいは第２の駆動方式）においても、常時故障判定を行うことができるという効果がある。
図２は、実施の形態２によるインバータの故障検出装置を、例えば車載用モータのコントローラに適用した場合の構成例を示すブロック図である。
図において、５５ｂは出力電圧監視回路（出力電圧監視手段）、６０ｂは故障判定手段、線間電圧加算手段である。
なお、図において、図１と同一符合は、図１のものと同一あるいは相当の機能を有するものであり、説明は省略する。

出力電圧監視回路（出力電圧監視手段）５５ｂは、三相ＰＷＭインバータ５２の各相の出力電圧を監視するとともに、遮断周波数がＰＷＭ搬送波周波数よりも低い低域通過特性を有するフィルタ（Ｒ、Ｒ１、Ｃ１で構成）を介してそれぞれ出力する。
例えば、三相ＰＷＭインバータ５２のＵ相の出力電圧をＶｕ、出力電圧監視回路（出力電圧監視手段）５５ｂのＵ相電圧出力をＶｏｕ、ｓをラプラス演算子とすると、
Ｖｏｕ ＝ ＶｕＲ’／（１＋τｓ）
ただし、
Ｒ’＝｛Ｒ１/（Ｒ＋Ｒ１）｝
τ＝Ｒ’Ｃ
となる。
τは、ＰＷＭ搬送波周期に比べて充分長く、かつ、地絡検出の遅延が無視できるように設定する。例えば、ＰＷＭ搬送波周期が５０μｓのとき、τ＝１ｍｓ程度とすればよい。

線間電圧加算手段６１は、出力電圧監視回路（出力電圧監視手段）５５ｂから出力される出力電圧に基づいて、各相間の線間電圧を求めて、演算により加算する。 故障判定手段６０ｂは、線間電圧加算手段６１による各線間電圧の加算値がほぼゼロでないときに、三相ＰＷＭインバータ５２が故障と判定する。
線間電圧は常時三相交流状であり、線間電圧の加算値は常にゼロとなるため、線間電圧に基づいて故障判定を行うことにより、三相ＰＷＭインバータ５２の故障検出を常時行うことが可能となる。

なお、図２の例では、故障判定手段６０ｂおよび線間電圧加算手段６１を第1のマイクロコントローラ（第１の制御部）５７内に設けた場合を示しているが、故障判定手段６０ｂおよび線間電圧加算手段６１を第２のマイクロコントローラ（第２の制御部）５８内に設けてもよい。
また、線間電圧加算手段６１は、第1のマイクロコントローラ（第１の制御部）５７あるいは第２のマイクロコントローラ（第２の制御部）５８の外部に設けてもよい。

このように、本実施の形態によるインバータの故障検出装置は、三相ＰＷＭインバータ５２の各相の出力電圧を監視するとともに、遮断周波数がＰＷＭ搬送波周波数よりも低い低域通過特性を有するフィルタを介してそれぞれ出力する出力電圧監視回路（出力電圧監視手段）５５ｂと、この出力電圧監視回路（出力電圧監視手段）５５ｂから出力される出力電圧に基づいて各相間の線間電圧を求めて加算する線間電圧加算手段６１と、線間電圧加算手段６１による各線間電圧の加算値がゼロ近傍の値でないときに、三相ＰＷＭインバータ５２が故障と判定する故障判定手段６０ｂを備えている。
従って、本実施の形態によるインバータの故障検出装置によれば、高速のＡ／Ｄ変換器の使用が不要であり、母線電圧の電圧利用率を高めることができるとともに、各相の出力電圧が正弦波となる第１の駆動方式あるいは各出力線間電圧が正弦波となる第２の駆動方式のいずれの駆動方式においても故障判定が可能となる。

この発明は、高速のＡ／Ｄ変換器が不要であり、更に、母線電圧の電圧利用率を高めることが可能なインバータの故障検出装置の実現に有用である。

実施の形態１によるインバータの故障検出装置を、モータのコントローラに適用した場合の構成例を示すブロック図である。 実施の形態２によるインバータの故障検出装置を、モータのコントローラに適用した場合の構成例を示すブロック図である。

符号の説明

１ コントローラ ２ モータ
３ 回転子角度センサ ４ バッテリ
５１ 入力インタフェース ５２ 三相ＰＷＭインバータ
５３ ゲート駆動回路 ５４ スイッチ手段
５５ａ、５５ｂ 出力電圧監視回路（出力電圧監視手段）
５６ 母線電圧監視回路（母線電圧監視手段）
５７ 第１のマイクロコントローラ（第１の制御部）
５８ 第２のマイクロコントローラ（第２の制御部）
６０ａ、６０ｂ 故障判定手段
６１ 線間電圧加算手段

Claims (6)

1. 三相ＰＷＭインバータの母線電圧を監視する母線電圧監視回路と、三相ＰＷＭインバータの各相の出力電圧を加算するとともに、加算した出力電圧を遮断周波数がＰＷＭ搬送波周波数よりも低い低域通過特性を有するフィルタを介して出力する出力電圧監視回路と、 上記出力電圧監視回路から出力される出力電圧値が上記母線電圧監視回路が監視する母線電圧の３／２倍に対応する電圧値の近傍の値でないときに上記三相ＰＷＭインバータが故障と判定する故障判定手段を備えたことを特徴とするインバータの故障検出装置。
2. 三相ＰＷＭインバータの各相の出力電圧を監視するとともに、遮断周波数がＰＷＭ搬送波周波数よりも低い低域通過特性を有するフィルタを介して出力する出力電圧監視回路と、上記出力電圧監視回路から出力される出力電圧に基づいて、各相間の線間電圧を求めて加算する線間電圧加算手段と、上記線間電圧加算手段による各線間電圧の加算値がゼロ近傍の値でないときに上記三相ＰＷＭインバータが故障と判定する故障判定手段を備えたことを特徴とするインバータの故障検出装置。
3. 上記三相ＰＷＭインバータの動作を制御する第1の制御部と、上記第1の制御部を監視する第２の制御部を備え、上記故障判定手段は上記第1の制御部に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のインバータの故障検出装置。
4. 上記三相ＰＷＭインバータの動作を制御する第1の制御部と、上記第1の制御部を監視する第２の制御部を備え、上記故障判定手段は上記第２の制御部に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のインバータの故障検出装置。
5. 上記三相ＰＷＭインバータは、各相の出力相電圧が正弦波電圧となるように各相電圧を制御することを特徴とする請求項1、３、４のいずれか１項に記載のインバータの故障検出装置。
6. 上記三相ＰＷＭインバータは、各出力線間電圧が正弦波状となるように各相電圧を制御することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載のインバータの故障検出装置。

Images