JP2008092688A - インバータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで適切な温度保護を実現できるインバータ制御装置を提供する。
【解決手段】インバータのスイッチング素子の温度を検出する温度検出手段と、温度検出手段によって検出した温度に基づいてスイッチング素子の温度保護を行う保護手段と、を備え、前記保護手段は、検出温度と予め定めた目標温度との差を正負の二値信号に変換して出力する二値化手段と、該二値化手段から出力された二値信号を積分し、積分値が０以下となる場合は積分を止めて０を、積分値が０より大きい場合は積分値を保護量として出力する制御手段とを備え、該制御手段から出力された保護量に基づいて温度保護制御を行う構成。例えばトルク指令値に応じて電動機に与える電流を制御するインバータの場合、制御手段から出力された保護量の値をトルク指令値から減算した値を補正後のトルク指令値としてインバータ装置を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は直流電力を交流電力に変換して電動機等を駆動するインバータ装置の制御装置に関し、特に温度保護技術に関する。

従来のインバータ装置における温度保護技術としては下記特許文献１に記載のものがある。この特許文献１に記載のように、従来はスイッチング素子の温度をアナログ信号またはデューティーパルスによって制御装置に送るか、或いは温度を二値化（目標温度以上か未満かの二値）し、スイッチング素子の温度が目標温度に到達していない場合は温度保護制御を行わず、スイッチング素子の温度が目標温度に達すると温度保護制御を開始し、スイッチング素子の温度が目標温度を上回っている間は保護量を大きくし、スイッチング素子の温度が目標温度を下回ったら、その時点の保護量を保持するという制御、または、その時点で保護量を０とする制御を行っていた。なお、温度保護制御は、例えばインバータ装置の出力で駆動する電動機のトルクを制限するようにインバータ装置の出力を低下させる制御やＰＷＭ制御のスイッチング周波数を低下させる制御を行う。したがって保護量とは、トルクを制限する場合はトルクの制限量に相当し、スイッチング周波数を低下させる場合は周波数の低下量に相当する。
特開２００５−１２９６９７号公報

検出したスイッチング素子の温度をアナログ信号またはデューティーパルスによって制御装置に送る場合には、部品コストが高くなり、基板面積も大きくなるという問題があった。また、温度を二値化する場合には次のような問題があった。すなわち、スイッチング素子の温度が目標温度を下回ったら、その時点の保護量を保持するという制御の場合は、スイッチング素子の温度が目標温度より低くなる、つまり、過剰な保護になるという問題があり、スイッチング素子の温度が目標温度を下回ったら保護量を０とする制御の場合は、保護量の変動（ハンチング）が起き、トルクの脈動（保護制御でトルクを絞る場合）や、耳障りなスイッチング周波数の変調音が聞こえてしまう（保護制御でスイッチング周波数を下げる場合）という問題があった。
本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、低コストで適切な温度保護を実現できるインバータ制御装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明においては、インバータのスイッチング素子の温度を検出する温度検出手段（例えば測温ダイオード８）と、前記温度検出手段によって検出した温度に基づいてスイッチング素子の温度保護を行う保護手段と、を備え、前記保護手段は、前記検出温度と予め定めた目標温度との差を正負の二値信号に変換して出力する二値化手段（例えばコンパレータ１１）と、該二値化手段から出力された二値信号を積分し、積分値が０以下となる場合は積分を止めて０を、積分値が０より大きい場合は積分値を保護量として出力する制御手段（例えば補正演算部４）と、を備え、該制御手段から出力された保護量に基づいて温度保護制御を行うように構成している。例えば、外部から与えられたトルク指令値に応じて電動機に与える電流を制御するインバータの場合には、前記制御手段から出力された保護量の値を前記トルク指令値から減算した値を補正後のトルク指令値としてインバータ装置を制御することにより温度保護制御を行う。

本発明によれば、アナログまたはデューティーパルスのように部品コストが高く、大きな基板面積を必要とする回路を用いずに、スイッチング素子の温度を目標温度一定に制御できるので、低コストで適切な保護を実現できる、という効果が得られる。

図１は、本発明の一実施例の回路ブロック図である。
図１において、１は駆動電源となるバッテリ等の直流電源、破線で囲んだ部分２はインバータ、３は負荷となる電動機である。インバータ２は各相毎に２個で合計６個（３相の場合）のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６が２個ずつ直列接続され、各接続点から各相の交流出力電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗが電動機３へ送られるようになっている。

また、補正演算部４（詳細後述）および制御部５は、ＣＰＵと各種メモリや電子回路から構成され、外部から与えられるトルク指令値Ｔrq*（正確には補正後のトルク指令値Ｔ'rq*）に応じた駆動信号Ｄ１〜Ｄ６を出力する。この駆動信号Ｄ１〜Ｄ６でスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を開閉駆動することにより電動機３の各相巻線に電流を供給し、トルク指令値Ｔrq*で指令されたトルクを発生するように電動機３を駆動する。

制御部５は、電流センサ６で検出した各相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗと角度センサ７で検出した電動機回転子の回転角θ（電気角）を入力し、補正演算部４から与えられる補正後のトルク指令値Ｔ'rq*に応じた電流を供給するための駆動信号Ｄ１〜Ｄ６を演算する。この演算は、例えば通常の電流フィードバックによるベクトル制御によって行い、駆動信号Ｄ１〜Ｄ６としてＰＷＭ信号を用いたデューティ制御である。なお、外部から与えられるトルク指令値Ｔrq*は、例えば車両の場合にはアクセル作動量等に応じた値である。

以下、本発明の要旨である温度保護機能について説明する。
８は測温ダイオードであり、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の近傍に設けられている。なお、スイッチング素子として例えばＭＯＳＦＥＴ等のパワー素子を用いた場合には、ＭＯＳＦＥＴの素子内に大電流制御用のパワー素子の他に、小さなダイオードが設けられているので、これを用いることが出来る。そして測温ダイオード８は定電流源９および抵抗１０と直列回路を構成しており、スイッチング素子の温度が変化すると測温ダイオード８の順方向電圧（アノード−カソード間の電圧）が変化することにより、抵抗１０の端子電圧が変化する。この値をコンパレータ１１の一方の入力端子に与え、他方の入力端子に基準電圧源１２からの基準電圧を与えることにより、スイッチング素子の温度に対応した信号を二値化して補正演算部４へ送る。

上記の基準電圧は目標温度Ｔ*（スイッチング素子を保護するために予め定められた温度）に対応した値であり、上記の二値化機能は、例えば温度信号が基準電圧未満か以上かに応じて０［Ｖ］または５［Ｖ］として補正演算部４へ伝える。補正演算部４では、受け取った二値信号をスイッチング素子の温度が目標温度Ｔ*未満の場合を−１、スイッチング素子の温度が目標温度Ｔ*以上の場合を１と読み替え、かつ、外部から与えられたトルク指令値Ｔrq*を上記の二値信号に応じて補正し、補正後のトルク指令値Ｔ'rq*を演算して後続の制御部５へ送る。

なお、図１においては測温ダイオード８を１個のみ示しているが、各スイッチング素子にそれぞれ設けてもよい。その場合には、各測温ダイオードの検出値をオア接続し、何れか一つの測温ダイオードでも検出温度が目標温度Ｔ*以上になった場合に二値信号が１（５［Ｖ］）、全ての測温ダイオードの検出温度が目標温度Ｔ*未満の場合に二値信号が−１（０［Ｖ］）になるように構成する。

以下、上記の補正演算部４の内容について説明する。
（第１実施例）
図２は、補正演算部４の第１実施例を説明するためのブロック図であり、トルク指令値Ｔrq*を入力としてスイッチング素子の温度Ｔjを出力する制御対象とした場合のフィードバックループとして示した図である。
図２において、破線で囲んだ部分、つまり減算器と二値化部１３が図１の測温ダイオード８等とコンパレータ１１に相当し、一点鎖線で囲んだ部分、つまり積分部１４と減算器が図１の補正演算部４に相当し、制御対象１５が図１の制御部５とインバータ２に相当する。
なお、スイッチング素子の温度を制限する保護制御は、電動機のトルクを制限（出力電流を制限）する方法以外に、スイッチング素子のスイッチング周波数（ＰＷＭ信号のキャリア周波数）を低下させる方法やインバータ装置の電源電圧である直流電圧（図１の直流電源１の電圧）を低下させる方法等があるが、本実施例ではトルクを制限する方法を例として説明する。

スイッチング素子温度Ｔjは、前記のようにスイッチング素子内の測温ダイオード（図１の８）に定電流を流した時の電圧として得られる。温度目標値Ｔ*は、スイッチング素子を保護するために予め定められた温度であり、図１の基準電圧源１２の電圧で設定するが、この基準電圧は例えば電源電圧を定電圧ダイオードと抵抗で分圧して作ることが出来る。

二値化部１３は、図１に示したようにコンパレータ１１を用いてハードウェアで実現し、例えば０［Ｖ］と５［Ｖ］の二値に分けた信号を積分部１４へ送る。積分部１４では０［Ｖ］を「−１」、５［Ｖ］と「１」、つまりスイッチング素子の温度Ｔjが目標温度未満の場合を−１、スイッチング素子の温度が目標温度以上の場合を１と読み代えて入力する。なお、図２においては、二値化部１３の出力が−１と１になっているように表示している。

積分部１４は、少なくとも積分要素を持ち、積分値が０以下となる場合は積分を止めて０を、積分値が０より大きい場合は積分値を保護量として出力する。つまり下限値が０の積分器である。したがってスイッチング素子の温度Ｔjが目標温度Ｔ*未満の場合（入力が−１）には、保護量が０、つまりトルク指令値に制限はなく、入力したトルク指令値Ｔrq*をそのまま補正後のトルク指令値Ｔ'rq*として出力する。また、スイッチング素子の温度Ｔjが目標温度Ｔ*以上になり、積分値がある場合には、その積分値が保護量として入力したトルク指令値Ｔrq*から減算され、その減算後の値が補正後のトルク指令値Ｔ'rq*として出力される。したがってスイッチング素子の温度Ｔjが目標温度Ｔ*以上になると、トルク指令値Ｔrq*が減算されてトルクが制限（インバータの出力電流が制限）され、スイッチング素子の温度Ｔjが低下するように制御される。その結果、スイッチング素子の温度Ｔjが低下して目標温度Ｔ*未満になると、積分特性で遅れた後に保護量が減少し、補正後のトルク指令値Ｔ'rq*は入力したトルク指令値Ｔrq*に復帰する。

図３は、第１実施例における温度保護制御状態を示す波形図であり、スイッチング素子の温度Ｔjの時間変化と、保護量（トルクの制限量Ｔ_lim）の時間変化を示している。横軸は共に時間ｔ（秒）である。
図３に示すように、スイッチング素子の温度Ｔjは、最初にオーバーシュートがあり、多少のハンチングはあるが、短い時間で目標温度Ｔ*に収束し、ほぼ目標温度Ｔ*一定に制御できていることが分かる。この場合には保護量Ｔ_limの変動も定常状態（オーバーシュート収束後）では比較的小さい。

図４は、上記の構成において、積分部１４の積分ゲインを大きくした場合の特性を示す。図４においては、スイッチング素子温度Ｔjのオーバーシュートは抑制できているが、定常状態における保護量Ｔ_limの変動が大きくなってしまっている。
上記のように、積分部１４の積分ゲインを小さくすると、定常状態における保護量の変動は小さくなるが、温度保護開始時のオーバーシュートが大きくなり、積分ゲインを大きくすると、オーバーシュートは小さくなるが、定常状態時の保護量の変動が大きくなる。

上記の問題を解決するフローチャートを図５に示す。図５に示すように、ステップＳ１で温度保護を行っているか否かを判断し、温度保護を行っていない場合（二値信号が−１で、かつ、積分値が０）には、ステップＳ４で積分部１４の積分ゲインを大きくしておく。
ステップＳ２では、温度保護開始後（二値信号が１）に保護量の振幅が一定か、つまり定常状態か否かを判断し、定常状態になったらステップＳ３で積分ゲインを小さくする。このように構成すれば、オーバーシュートの抑制と定常状態における保護量の変動の低減を両立させることが出来る。この演算は図１の補正演算部４において行う。

なお、積分ゲインの変更は、図５に示したように、ゲイン大とゲイン小の２種類を用いても良いし、保護制御開始後に徐々に小さくする方法でも良いし、或いは定常状態における保護量の振幅に応じて設定（振幅が大きい場合にゲインを小さくする）するように構成してもよい。

上記のように第１実施例においては、アナログまたはデューティーパルスを用いる場合のように部品コストが高く、大きな基板面積を必要とする回路を用いずに、スイッチング素子の温度を目標温度一定に制御できるので、低コストで適切な保護を実現できる。
また、スイッチング素子の温度がオーバーシュートするような状況では積分ゲインを高くし、目標値近傍で安定させる場合は積分ゲインを低くする構成では、オーバーシュートの抑制と、定常状態における保護量の変動の低減を実現できる。

（第２実施例）
図６は、補正演算部４の第２実施例を説明するためのブロック図である。
図６において、一点鎖線で囲んだ部分、つまり積分部１４と減算器および指令値調整部１６が図１の補正演算部４に相当する。

図６においては、入力したトルク指令値Ｔrq*を指令値調整部１６で調整し、調整後のトルク指令値Ｔrq**とし、さらに、それを保護量で制限して補正後のトルク指令値Ｔ'rq*とするものである。なお、積分部１４の動作は後記のリセット動作以外は前記図２の場合と基本的には同じである。

図７は上記の指令値調整部１６の演算内容を示すフローチャートであり、図８は動作の一例を示す動作波形図である。以下、図７と図８を用いて図６の動作を説明する。
図７において、ステップ１１では、保護量が０か否かを判断する。保護量が０とは積分部１４の積分値が０で、二値信号が−１の状態であり、つまり、温度保護制御を開始していない状態を示す。

ステップ１１でＹＥＳ（保護量が０）の場合には、ステップ１４へ行き、入力したトルク指令値Ｔrq*をそのまま調整後のトルク指令値Ｔrq**として出力する。この状態が図８の（Ａ）の状態である。

次に、ステップ１２では、前回の演算時の保護量が０か否かを判断する。ステップ１２でＹＥＳの場合、つまり、今回の演算で初めて保護量が０でなくなった場合（今回スイッチング素子に発熱を生じさせるようなトルク指令値が入力した場合）には、ステップ１５へ行き、そのときの入力したトルク指令値Ｔrq*の値を保持する。この状態が図８の（Ｂ）の状態である。

次に、ステップ１３では、入力したトルク指令値Ｔrq*が上記の保持した値から保護量を減じた値よりも小さいか（Ｔrq*＜Ｔrq*保持値−Ｔ_lim）否かを判断する。ステップ１３でＮＯの場合、つまり、入力したトルク指令値Ｔrq*の低下分が保護量よりも小さい場合には、ステップ１６へ行き、ステップ１２で保持した値を調整後のトルク指令値Ｔrq**として出力する。この状態が図８の（Ｃ）の状態である。

次に、ステップ１３でＹＥＳの場合、つまり入力したトルク指令値Ｔrq*の低下分が保護量よりも大きくなった場合には、ステップ１７へ行き、リセット信号を積分部１４へ送って積分部１４の積分内容をリセットする。この状態が図８の（Ｄ）の状態である。その後は入力したトルク指令値Ｔrq*をそのまま調整後のトルク指令値Ｔrq**として出力する。この状態が図８の（Ａ'）の状態である。

図８の例では、（Ａ）から（Ｂ）点までは、指令値調整部１６に入力したトルク指令値Ｔrq*と出力する調整後のトルク指令値Ｔrq**が同じ（黒太線）であり、（Ｃ）ではＴrq*が破線で示すように減少してもＴrq**としては保持した値（黒太線）が出力され、（Ｄ）点で「Ｔrq*保持値−Ｔ_lim」の値よりも入力したトルク指令値Ｔrq*が小さくなって積分値がリセットされ、それ以後は（Ａ'）のように入力したトルク指令値Ｔrq*と出力する調整後のトルク指令値Ｔrq**が同じ（黒太線）になる。
そして補正後のトルク指令値Ｔ'rq*は、調整後のトルク指令値Ｔrq**から保護量Ｔ_limを減算した値、つまりＴ'rq*＝Ｔrq**−Ｔ_limである。

上記のように第２実施例においては、温度保護制御を行っていない場合は入力したトルク指令値Ｔrq*をそのまま出力し、温度保護制御を開始する場合はその時点のトルク指令値Ｔrq*を保持し、トルク指令値Ｔrq*が前記の保持した値から保護量を減じた値を下回るまで保持した値を出力し続け、トルク指令値Ｔrq*が保持した値から保護量を減じた値を下回った場合には、積分値（＝保護量）をリセットし、その後はトルク指令値Ｔrq*をそのまま出力する。このように制御することにより、温度保護制御を行っている最中にトルク指令値（発熱を生じさせるような指令値）が変化してもスイッチング素子の温度に変動を生じることがなく、一定に保つことが出来る。

（第３実施例）
図９は、補正演算部４の第３実施例を説明するためのブロック図であり、積分部１４と並列に比例部１７を設け、積分部１４の出力と比例部１７の出力とを加算した値を保護量とする例を示す。ただし、このように比例ゲインを用いる場合には、保護量が負の値にならないように、下限値を０とするリミッタ１８を設ける必要がある。なお、積分部１４の動作は前記図２の場合と同様である。

図１０は、第３実施例における温度保護制御状態を示す波形図であり、スイッチング素子の温度Ｔjの時間変化と、保護量（トルクの制限量Ｔ_lim）の時間変化を示している。横軸は共に時間ｔ（秒）である。図１０においては、積分ゲインは前記図３と同じく小さいままで、図９のように比例ゲインを付加した場合の特性を示している。
図１０に示すように、定常状態における保護量の変動はあまり変わらないが、オーバーシュートの抑制ができていることが分かる。

なお、上記のように積分特性と比例特性とを組み合わせた構成の他に、積分特性と微分特性の組み合わせ、或いは積分特性と比例特性と微分特性とを組み合わせた構成も可能である。なお、微分ゲインを用いる場合も保護量が負の値にならないように、下限値を０とするリミッタを設ける必要がある。
上記のように比例ゲインや微分ゲインを用いることにより、制御を高応答化することができるので、特にオーバーシュートの抑制に効果がある。

本発明の一実施例の回路ブロック図。 補正演算部４の第１実施例を説明するためのブロック図。 第１実施例における温度保護制御状態を示す波形図。 第１実施例における温度保護制御状態の他の特性を示す波形図。 第１実施例における演算内容を示すフローチャート。 補正演算部４の第２実施例を説明するためのブロック図。 指令値調整部１６の演算内容を示すフローチャート。 図７における動作の一例を示す動作波形図。 補正演算部４の第３実施例を説明するためのブロック図。 第３実施例における温度保護制御状態を示す波形図。

符号の説明

１…直流電源 ２…インバータ
３…電動機 ４…補正演算部
５…制御部 ６…電流センサ
７…角度センサ ８…は測温ダイオード
９…定電流源 １０…抵抗
１１…コンパレータ １２…基準電圧源
１３…二値化部 １４…積分部
１５…制御対象 １６…指令値調整部
１７…比例部 １８…リミッタ
Ｑ１〜Ｑ６…スイッチング素子 Ｄ１〜Ｄ６…駆動信号
Ｔrq*…トルク指令値 Ｔ'rq*…補正後のトルク指令値
Ｔrq**…調整後のトルク指令値

Claims (6)

1. インバータのスイッチング素子の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段によって検出した温度に基づいてスイッチング素子の温度保護を行う保護手段と、を備えたインバータ制御装置において、
   前記保護手段は、前記検出温度と予め定めた目標温度との差を正負の二値信号に変換して出力する二値化手段と、該二値化手段から出力された二値信号を積分し、積分値が０以下となる場合は積分を止めて０を、積分値が０より大きい場合は積分値を保護量として出力する制御手段と、を備え、該制御手段から出力された保護量に基づいて温度保護制御を行うことを特徴とするインバータ制御装置。
2. 前記温度保護制御は、インバータ装置の出力で駆動する電動機のトルク、インバータ装置のスイッチング素子のスイッチング周波数、インバータ装置の電源電圧である直流電圧の内の少なくとも一つを低下させる制御であることを特徴とする請求項１に記載のインバータ制御装置。
3. 前記制御手段は、温度保護制御を行っておらず、かつ検出温度が目標温度より小さい場合には、積分ゲインを大きくし、温度保護制御中は積分ゲインを小さくすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のインバータ制御装置。
4. 前記制御手段は、積分手段の他に、比例手段と微分手段の少なくとも一方と、出力の下限値を０とするリミッタとを有することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載のインバータ制御装置。
5. 外部から与えられたトルク指令値に応じて電動機に与える電流を制御するインバータの場合に、前記制御手段から出力された保護量の値を前記トルク指令値から減算した値を補正後のトルク指令値としてインバータ装置を制御することにより温度保護制御を行うことを特徴とする請求項１に記載のインバータ制御装置。
6. インバータのスイッチング素子に発熱を生じさせるようなトルク指令値が入力した場合に、前記トルク指令値の値を温度保護制御開始時点で保持し、入力したトルク指令値が前記保持した値から前記保護量を減算した値を下回った場合に、積分値をリセットして前記保持および温度保護制御を解除することを特徴とする請求項５に記載のインバータ制御装置。

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