JP2008125186A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回生動作時に回復ダイオードと並列に接続されているスイッチング素子を導通させて電力損失を低減させる３相モータ制御装置において、回生動作時であることを検出する電流検出器の数を低減する。
【解決手段】スイッチング素子２１ｕｈ、２１ｕｌ、２１ｖｈ、２１ｖｌ、２１ｗｈ、２１ｗｌの全ての駆動状態が遮断状態のときに、相電流Ｉｕｒ、Ｉｗｒの方向を検出し、回生かどうかを判断するようにしたので、電流検出器３６の数を上下アームに対応する数６個から相数に対応する数３個、すなわち１／２の数に低減することができる。
【選択図】図５

Description

この発明は、モータの減速時等に発生する回生電流による電力損失を低減するモータ制御装置に関する。

例えば、燃料電池車両、ハイブリッド車両等の電動車両では、走行駆動源としてモータが搭載されている。

この種の電動車両には、バッテリ等の直流電源が搭載され、定速走行時及び加速走行時には、直流電源から供給される直流がインバータ回路により交流に変換されてモータに供給される一方、減速走行時には、前記モータが発電機として動作し、モータで発生した交流がインバータ回路の回復ダイオードを通じて前記直流電源に回生電流として供給されるように構成されている。

この場合、例えば、上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子との直列回路を直流電源間に３相分、ブリッジ回路に構成した３相インバータ回路では、各スイッチング素子に回復ダイオードが並列に接続されている。

ところが、回復ダイオードの順方向降下電圧が１［Ｖ］程度と高く、例えば、回生電流が３０［Ａ］である場合、回生時に、各回復ダイオードで３０［Ｗ］の電力損失が発生する。この電力損失は熱となって放散される。

この電力損失を低減するために、全てのスイッチング素子に直列に電流検出器を備え、この電流検出器により回生電流を検出したときに、回生電流を検出したアームのスイッチング素子を導通状態にすることで、スイッチング素子を通じて回生電流を直流電源側に回生するようにしたモータ制御装置が提案されている（特許文献１参照）。

この特許文献１に開示されたモータ制御装置では、スイッチング素子の導通時における素子間電圧は、スイッチング素子をＦＥＴ等としているため、回復ダイオードに比較して導通時の電圧降下が低く電力損失を低減することができる。

特開２００４−３５０３８８号公報

しかしながら、電流検出器を、３相の上下アーム分の６個使用しているために、配線コスト、電流検出器コストが高いという問題がある。

この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、回生電流を検出する電流検出器の数を、モータを構成する相の数に低減することを可能とするモータ制御装置を提供することを目的とする。

この発明に係るモータ制御装置は、それぞれ回復ダイオードが並列に接続された上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子との直列回路を直流電源間に複数接続しブリッジ回路に構成したインバータ回路の前記上アームスイッチング素子と前記下アームスイッチング素子との各中点にモータの各相のコイルを接続し、前記上アームスイッチング素子及び前記下アームスイッチング素子に対して駆動信号を与えて導通又は遮断させることで前記コイルに交流を供給し前記モータを駆動するモータ制御装置において、前記各相のコイルに流れる相電流の向きを検出する電流検出器と、前記スイッチング素子の全てを遮断させているときに、前記相電流が前記コイル側から前記インバータ回路側に流れ込んでいる相の前記上アームスイッチング素子を導通させるとともに、前記相電流が前記インバータ回路側から前記コイル側に流れ出ている相の前記下アームスイッチング素子を導通させて回生電流を前記直流電源に回生させる回生制御部とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、回生制御部は、スイッチング素子の全てを遮断させているときに、相電流がコイル側からインバータ回路側に流れ込んでいる相の上アームスイッチング素子を導通させるとともに、相電流がインバータ回路側からコイル側に流れ出ている相の下アームスイッチング素子を導通させて回生電流を直流電源に回生させるようにしている。

すなわち、スイッチング素子の駆動状態が全て遮断状態のときに、相電流の方向を検出し、回生かどうかを判断するようにしたので、電流検出器の数を上下アームに対応する数から相数に対応する数、すなわち１／２の数に低減することができる。また、回生時に回復ダイオードに比較して電圧降下の小さいスイッチング素子、例えば、ＭＯＳＦＥＴや逆阻止ＩＧＢＴを導通するようにしているので、回生時における電力損失を低減することができる。

この場合、前記回生制御部は、一定値以上の回生電流が検出されたときに前記上アームスイッチング素子及び下アームスイッチング素子を導通させ、この後、前記一定値以下の回生電流が検出されたとき遮断させることで、確実に回生動作を行わせることができる。

この発明によれば、スイッチング素子の駆動状態が遮断状態のときに、相電流の方向を検出し、回生かどうかを判断するようにしたので、電流検出器の数を上下アームに対応する数から相数に対応する数、すなわち１／２の数に低減することができる。また、回生時に、回復ダイオードに比較して電圧降下の小さいスイッチング素子、例えば、ＭＯＳＦＥＴや逆阻止ＩＧＢＴを導通するようにしているので、回生時における電力損失を低減することができる。

以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、この発明の一実施形態に係るモータ制御装置１０が搭載された電気自動車１２の模式的平面図を示す。

この電気自動車１２は、走行駆動装置としてモータ１４を備えている。モータ１４は、この実施形態では三相交流モータである。モータ１４の回転動作で発生した駆動力はトランスミッション５２を経由して駆動輪５４に与えられる。モータ１４は、回生制御部としても機能するモータ制御ＥＣＵ（モータ制御回路）１８によって制御される。

モータ制御ＥＣＵ１８は、運転者により操作されるアクセルペダル（速度調整装置）５６等の操作量に応じてインバータ回路１６に含まれる複数のスイッチング素子の開閉動作｛オフ（遮断）・オン（導通）動作｝を制御することにより、バッテリ等の直流電源（蓄電装置）２０からモータ１４へ供給される電流を制御するとともに、モータ１４で発電作用（回生動作）が生じたときには当該発電電流（回生電流）を、インバータ回路１６を介して直流電源２０に供給するように制御する。

図２は、モータ制御装置１０の構成を示す回路ブロック図を示している。このモータ制御装置１０は、基本的は、平滑コンデンサ２４が並列に接続された直流電源２０と、Ｕ相アーム３１と、Ｖ相アーム３２と、Ｗ相アーム３３とからなるインバータ回路１６と、このインバータ回路１６により駆動されるＵＶＷ相の各コイル５１ｕ、５１ｖ、５１ｗと各直列に接続される内部抵抗を有するモータ１４と、モータ１４の各相に流れる電流の大きさと向きとを検出する電流検出器３６（Ｕ相電流検出器３６ｕ、Ｖ相電流検出器３６ｖ、Ｗ相電流検出器３６ｗ）と、アクセルペダル５６等の操作量と電流検出器３６の検出結果に応じて、各相、各上下アームのＰＷＭ駆動信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬを発生し、それぞれ、ＵＶＷ相アーム３１、３２、３３の上下アームのスイッチング素子２１ｕｈ、２１ｕｌ、２１ｖｈ、２１ｖｌ、２１ｗｈ、２１ｗｌの各制御端子に供給するモータ制御ＥＣＵ１８とから構成される。

スイッチング素子２１ｕｈ、２１ｕｌ、２１ｖｈ、２１ｖｌ、２１ｗｈ、２１ｗｌには、回復ダイオード４１ｕｈ、４１ｕｌ、４１ｖｈ、４１ｖｌ、４１ｗｈ、４１ｗｌが並列に接続されている。

なお、スイッチング素子２１ｕｈ、２１ｕｌ、２１ｖｈ、２１ｖｌ、２１ｗｈ、２１ｗｌは、例えば、図３Ａに示すようなＭＯＳＦＥＴあるいは図３Ｂに示すような逆阻止ＩＧＢＴ等の双方向に導通可能な素子を用いる。回転が低速の場合には、電磁リレーを用いることもできる。

実際上、モータ１４は、アクセルペダル５６を踏む操作に係る操作量とギヤポジション等によりトルクを変更する必要があるため、それらに応じて、直流電源２０からインバータ回路１６に印加される電圧が変更され、結果としてモータ電流が変化するように構成されているが繁雑となるので省略している。

この実施形態では、走行中、アクセルペダル５６が踏まれているときに、インバータ回路１６を構成するスイッチング素子２１ｕｈ、２１ｕｌ、２１ｖｈ、２１ｖｌ、２１ｗｈ、２１ｗｌがＰＷＭ駆動信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬにより３相駆動され、モータ１４に駆動電流が供給されてモータ１４が駆動され（モータ駆動動作時）、走行中にアクセルペダル５６を離したとき、インバータ回路１６を構成するスイッチング素子２１ｕｈ、２１ｕｌ、２１ｖｈ、２１ｖｌ、２１ｗｈ、２１ｗｌの全てがＰＷＭ駆動信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬにより遮断状態とされ、モータ１４からインバータ回路１６を通じて直流電源２０側に回生電流が供給される（回生動作時）。

ここで、モータ駆動動作時と回生動作時の電流経路について説明する。

図４に示すように、例えば、モータ１４を構成するＵ相コイル５１ｕとＷ相コイル５１ｗのモータ駆動動作時には、ＰＷＭ駆動信号ＵＨ、ＷＬがオン状態とされてスイッチング素子２１ｕｈ、２１ｗｌが導通状態（図示の状態）とされ、その他のＰＷＭ駆動信号ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨはオフ状態とされてスイッチング素子２１ｕｌ、２１ｖｈ、２１ｖｌ、２１ｗｈは遮断状態（図示の状態）とされる。このとき、駆動電流である相電流Ｉｕｄが上アームスイッチング素子２１ｕｈ側からＵ相電流検出器３６ｕを通じてＵ相コイル５１ｕ側に流れ込み、駆動電流である相電流ＩｗｄがＷ相コイル５１ｗ側からＷ相電流検出器３６ｗを通じて下アームスイッチング素子２１ｗｌ側に流れ出ている。つまり、直流電源２０（インバータ回路１６）の正側から駆動電流である相電流Ｉｕｄがモータ１４のＵ相コイル５１ｕ側に流れ込み、駆動電流である相電流Ｉｗｄがモータ１４のＷ相コイル５１ｗ側から直流電源２０（インバータ回路１６）の負側に流れ出る。

その一方、図５に示すように、モータ１４を構成するＵ相コイル５１ｕとＷ相コイル５１ｗの回生動作時には、ＰＷＭ駆動信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬの全てがオフ状態とされてスイッチング素子２１ｕｈ、２１ｕｌ、２１ｖｈ、２１ｖｌ、２１ｗｈ、２１ｗｌが全て遮断状態とされる。このとき、回生電流である相電流Ｉｕｒが下アーム回復ダイオード４１ｕｌ側からＵ相電流検出器３６ｕを通じてＵ相コイル５１ｕ側に流れ込み、回生電流である相電流ＩｗｒがＷ相コイル５１ｗ側からＷ相電流検出器３６ｗを通じて上アーム回復ダイオード４１ｗｈ側に流れ出ている。つまり、モータ１４のＷ相コイル５１ｗ側から直流電源２０（インバータ回路１６）の正側に回生電流である相電流Ｉｗｒが流れ込み、回生電流である相電流Ｉｕｒが直流電源２０（インバータ回路１６）の負側からモータ１４のＵ相コイル５１ｕ側に流れ出る。

図５の回生動作時において、回生電流である相電流Ｉｕｒ、Ｉｗｒが回復ダイオード４１ｕｌ、４１ｗｈを介して直流電源２０に回生されるために、回復ダイオード４１ｕｌ、４１ｗｈの順方向電圧降下と相電流Ｉｕｒ、Ｉｗｒとの積に対応する多大な電力損失が発生する。

そこで、この実施形態では、モータ制御ＥＣＵ１８が、スイッチング素子２１ｕｈ、２１ｕｌ、２１ｖｈ、２１ｖｌ、２１ｗｈ、２１ｗｌの全てを遮断させているときに、電流検出器３６ｕ、３６ｗにより、図５に示した回生動作時の開始を検出したとき、すなわち、回復ダイオード４１ｕｌ、４１ｗｈの導通開始を検出したとき、図６に示すように、相電流ＩｗｒがＷ相コイル５１ｗ側からインバータ回路１６側に流れ込んでいる相の上アームスイッチング素子２１ｗｈを導通させるとともに、相電流Ｉｕｒがインバータ回路１６側からＵ相コイル５１ｕ側に流れ出ている相の下アームスイッチング素子２１ｕｌを導通させて相電流Ｉｗｒを直流電源２０に回生させるようにしている。

この場合、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子２１ｕｌ、２１ｗｈの導通時の電圧降下は、回復ダイオード４１ｕｌ、４１ｗｈの順方向電圧降下に比較して相当に低いので、回生動作時における電力損失を最小限に抑制することができ、したがって、熱の放散も少なくすることができる。

図７は、３相の回生電流である相電流Ｉｕｒ、Ｉｖｒ、ＩｗｒとＰＷＭ駆動信号ＵＨ、ＶＨ、ＷＨ、ＵＬ、ＶＬ、ＷＬのオン・オフ状態との関係を示している。相電流Ｉｕｒ、Ｉｖｒ、Ｉｗｒの符号は、正側をモータ１４のコイル５１ｕ、５１ｖ、５１ｗ側からインバータ回路１６側に流れ込む方向、負側をインバータ回路１６側からモータ１４のコイル５１ｕ、５１ｖ、５１ｗに流れ出る方向にとっている。

スイッチング素子２１ｕｈ、２１ｕｌ、２１ｖｈ、２１ｖｌ、２１ｗｈ、２１ｗｌの全てを遮断させているときの時点ｔ０において、Ｗ相電流検出器３６ｗが流れ込む方向の相電流Ｉｗｒを検出するとともに、Ｕ相電流検出器３６ｕが流れ出す方向の相電流Ｉｕｒ検出したとすると、これらは回生電流であると認識できるので、時点ｔ０＋α（αは微小な時間）で、ＰＷＭ駆動信号ＷＨ、ＵＬをオン状態とすることで、図６に示したように上アームスイッチング素子２１ｗｈと下アームスイッチング素子２１ｕｌとを遮断状態から導通状態に切り替えて回生電流を直流電源２０に取り込むことができる。

また、時点ｔ１では、さらにＶ相電流検出器３６ｖが流れ出る方向の相電流Ｉｖｒを検出する。そのため、時点ｔ１＋αでは、さらにＰＷＭ駆動信号ＶＬをオン状態とすることで下アームスイッチング素子２１ｖｌを導通状態とする。したがって、例えば、時点ｔ１＋αでは、ＰＷＭ駆動信号ＷＨ、ＵＬ、ＶＬがオン状態とされる。

図８は、回生動作時における時点ｔ１での動作状態を示している。この場合、下アームスイッチング素子２１ｕｌ、２１ｖｌと、上アームスイッチング素子２１ｗｈが導通状態とされる。

以上説明したように上述した実施形態によれば、それぞれ回復ダイオード４１ｕｈ、４１ｕｌ｛（４１ｖｈ、４１ｖｌ）、（４１ｗｈ、４１ｗｌ）｝が並列に接続された上アームスイッチング素子２１ｕｈ（２１ｖｈ、２１ｗｈ）と下アームスイッチング素子２１ｕｌ（２１ｖｌ、２１ｗｌ）との直列回路を直流電源２０間に３相分、並列に接続しブリッジ回路に構成したインバータ回路１６の上アームスイッチング素子２１ｕｈ、２１ｖｈ、２１ｗｈと下アームスイッチング素子２１ｕｌ、２１ｖｌ、２１ｗｌとの各中点にモータ１４の各相のコイル５１ｕ、５１ｖ、５１ｗを接続し、上アームスイッチング素子２１ｕｈ、２１ｖｈ、２１ｗｈ及び下アームスイッチング素子２１ｕｌ、２１ｖｌ、２１ｗｌに対してＰＷＭ駆動信号ＵＨ、ＶＨ、Ｈ、ＵＬ、ＶＬ、ＷＬを与えて導通又は遮断させることでコイル５１ｕ、５１ｖ、５１ｗに交流を供給しモータ１４を駆動するモータ制御装置１０において、各相のコイル５１ｕ、５１ｖ、５１ｗに流れる相電流の向きを検出する電流検出器３６ｕ、３６ｖ、３６ｗと、モータ制御ＥＣＵ１８とを備え、モータ制御ＥＣＵ１８は、スイッチング素子２１ｕｈ、２１ｖｈ、２１ｗｈ、２１ｕｌ、２１ｖｌ、２１ｗｌの全てを遮断させているときに、相電流がコイル５１ｕ、５１ｖ、５１ｗ側からインバータ回路１６側に流れ込んでいる相の上アームスイッチング素子２１ｕｈ、２１ｖｈ、２１ｗｈを導通させるとともに、相電流がインバータ回路１６側からコイル５１ｕ、５１ｖ、５１ｗ側に流れ出ている相の下アームスイッチング素子２１ｕｌ、２１ｖｌ、２１ｗｌを導通させて回生電流を直流電源２０に回生させるようにしている。

すなわち、モータ制御ＥＣＵ１８は、スイッチング素子２１ｕｈ、２１ｖｈ、２１ｗｈ、２１ｕｌ、２１ｖｌ、２１ｗｌの駆動状態が全て遮断状態のときに、相電流の方向を検出し、回生かどうかを判断するようにしたので、電流検出器３６ｕ、３６ｖ、３６ｗの数を、従来技術に係る上下アームに対応する数、この実施形態では６個から相数に対応する数の３個、すなわち１／２の数に低減することができる。また、回生時に回復ダイオードに比較して電圧降下の小さいスイッチング素子、例えば、ＭＯＳＦＥＴや逆阻止ＩＧＢＴを導通するようにしているので、回生時における電力損失を低減することができる。

なお、図９に示すように、モータ制御ＥＣＵ１８は、流れ込む方向で一定値以上、及び流れ出る方向で一定値以上の回生電流が検出されたときに対応する上アームスイッチング素子２１ｕｈ、２１ｖｈ、２１ｗｈ及び下アームスイッチング素子２１ｕｌ、２１ｖｌ、２１ｗｌを導通させ、この後、流れ込む方向で一定値以下及び流れ出る方向で一定値以下の回生電流が検出されたとき遮断させることで、いわゆるアーム短絡を確実に防止した回生動作を行わせることができる。

また、この発明は、上述の実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

この発明の一実施形態に係るモータ制御装置が適用された電動自動車の模式的平面構成図である。 この発明の一実施形態に係るモータ制御装置の構成を示す回路ブロック図である。 図３Ａは、スイッチング素子がＭＯＳＦＥＴであるアームの回路図、図３Ｂは、スイッチング素子が逆阻止ＩＧＢＴであるアームの回路図である。 モータ駆動時の相電流の説明図である。 一般的な回生動作時、又はこの実施例に係る回生動作時の開始時の相電流の説明図である。 この実施形態に係る回生動作時の相電流の説明図である。 この実施形態に係る回生動作時の３相全ての相電流とＰＷＭ駆動信号との関係を示す波形図である。 図７例の一時点における相電流の説明図である。 他の実施形態に係る回生動作時の３相全ての相電流とＰＷＭ駆動信号との関係を示す波形図である。

符号の説明

１０…モータ制御装置 １４…モータ
１６…インバータ回路 １８…モータ制御ＥＣＵ（モータ制御回路）
２０…直流電源
２１ｕｈ、２１ｖｈ、２１ｗｈ…上アームスイッチング素子
２１ｕｌ、２１ｖｌ、２１ｗｌ…下アームスイッチング素子
３６、３６ｕ、３６ｖ、３６ｗ…電流検出器
４１ｕｈ、４１ｕｌ、４１ｖｈ、４１ｖｌ、４１ｗｈ、４１ｗｌ…回復ダイオード
５１ｕ、５１ｖ、５１ｗ…コイル
ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬ…ＰＷＭ駆動信号

Claims (2)

1. それぞれ回復ダイオードが並列に接続された上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子との直列回路を直流電源間に複数接続しブリッジ回路に構成したインバータ回路の前記上アームスイッチング素子と前記下アームスイッチング素子との各中点にモータの各相のコイルを接続し、前記上アームスイッチング素子及び前記下アームスイッチング素子に対して駆動信号を与えて導通又は遮断させることで前記コイルに交流を供給し前記モータを駆動するモータ制御装置において、
   前記各相のコイルに流れる相電流の向きを検出する電流検出器と、
   前記スイッチング素子の全てを遮断させているときに、前記電流検出器の検出に応じて、前記相電流が前記コイル側から前記インバータ回路側に流れ込んでいる相の前記上アームスイッチング素子を導通させるとともに、前記相電流が前記インバータ回路側から前記コイル側に流れ出ている相の前記下アームスイッチング素子を導通させて回生電流を前記直流電源に回生させる回生制御部と
   を備えることを特徴とするモータ制御装置。
2. 請求項１記載のモータ制御装置において、
   前記回生制御部は、一定値以上の回生電流が検出されたときに前記上アームスイッチング素子及び下アームスイッチング素子を導通させ、この後、前記一定値以下の回生電流が検出されたとき遮断させる
   ことを特徴とするモータ制御装置。

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