JP2008141868A - 電動機システム - Google Patents

Abstract

【課題】コンバータおよびインバータの組合せによって電動機を駆動制御する電動機システムにおいて、コンバータ異常発生時に、電動機の逆起電圧によるインバータの機器損傷発生を防止した適切な異常処理を行なう。
【解決手段】コンバータ異常発生時（Ｓ１００のＹＥＳ判定時）には、電動機が高回転状態であるかどうかが判定される（Ｓ１１０）。電動機が高回転状態でない場合（Ｓ１１０のＮＯ判定時）には、コンバータおよびインバータの両方とも動作が停止される（Ｓ１２０）。一方、電動機が高回転状態の間（Ｓ１１０のＹＥＳ判定時）は、コンバータの動作を停止させる一方で、インバータは動作を継続させて弱め界磁制御により電動機を駆動する（Ｓ１３０）。高回転状態中に弱め界磁制御による交流モータＭＧの駆動制御を継続することにより、電動機に誘起される過大な逆起電圧がインバータに印加されて機器損傷が発生することを防止できる。
【選択図】図１０

Description

この発明は、電動機システムに関し、より特定的には、コンバータおよびインバータの組合せによって電動機を駆動制御する構成の電動機システムに関する。

ハイブリッド自動車に適用される電動機システムにおいて、直流電源の出力電力をモータ駆動電力に変換する電力変換装置を、直流電源の出力電圧を昇圧可能なコンバータと、コンバータの出力直流電圧を交流電圧に変換してモータに印加するインバータとの組合わせにより構成とすることが、たとえば特開２００４−１１２８８３号公報（以下、特許文献１）に開示されている。このような構成では、コンバータによって直流電源の直流電圧を昇圧してインバータの入力電圧とすることによって、モータに印加される交流電圧振幅を可変制御することが可能となる。この結果、モータの動作状態、代表的には回転数およびトルクに応じて電圧振幅を適切に可変制御することにより、モータを高効率で駆動制御することが可能となる。なお、本明細書では「回転数」は、単位時間の回転数、すなわち回転速度と同じ意味を示すものとする。

特許文献１では、インバータおよびコンバータを組合わせた電力変換装置の異常処理として、コンバータが異常停止したときにインバータを併せて強制停止する構成が開示されている。特に、特許文献１では、２つの交流モータを備えた電気負荷装置において、これらの交流モータを駆動制御する２つのインバータを単一のコンバータと共通に接続する構成として、該コンバータの異常停止時には、双方のインバータを強制停止する。

また、特開２００４−２２２３６２号公報（特許文献２）では、特許文献１と同様に、コンバータおよびインバータの組合せによって交流モータを駆動制御する電圧変換装置において、コンバータ（昇圧コンバータ）の故障を検出したときに、交流モータの回生発電を禁止するようにインバータおよび交流モータを制御する構成が開示される。このような構成とすることにより、インバータの入力側に挿入されるコンデンサの耐電圧性能を向上させることなく昇圧コンバータの故障処理が可能となる。

なお、電動機を駆動制御するインバータの一般的な異常処理構成として、特開平９−２４７８０５号公報（特許文献３）には、インバータにより永久磁石界磁同期電動機を駆動制御する電気車制御装置において、インバータに故障が発生した場合には、直流電源からも永久磁石界磁同期電動機からもインバータを切離し、直流電源から直流が、また電動機から交流がインバータに流れ込まないようにして、その損傷拡大を防止する技術が開示されている。さらに、特開平８−１８６９８４号公報（特許文献４）には、インバータのフェイルセーフ装置として、インバータを構成するトランジスタが故障したことが検出されたときに、該トランジスタがオン故障およびオフ故障のいずれを発生しているかに応じて特定のＰＷＭ駆動信号の組合せを停止させることによって、インバータが故障したときにも同期モータを駆動して、誘導起電力によるインバータの破壊を防止する技術が開示されている。

また、特開平１１−１５０９９６号公報（特許文献５）には、トルク方程式にあらわれる各係数の非線形性に対処して、より正確なモータ制御を実行可能にするモータ制御装置が開示される。特許文献５に開示された発明によれば、高回転領域でモータ回転数の増大に応じてｄ軸電流の絶対値を増やす弱め界磁制御を、テーブルの利用という簡便な手法により実現可能となることが記載されている。
特開２００４−１１２８８３号公報 特開２００４−２２２３６２号公報 特開平９−２４７８０５号公報 特開平８−１８６９８４号公報 特開平１１−１５０９９６号公報

特許文献１および２のような、コンバータおよびインバータの組合せによって電動機を駆動制御する構成の電動機システムでは、コンバータの異常発生時の異常処理では、コンバータの動作停止を余儀なくされる一方で、異常処理によって他の部位に新たな機器故障等の不具合を発生させないようにすることが重要である。

この点について、特許文献１に開示された構成では、コンバータの異常停止の際にインバータを併せて強制停止するが、モータ高回転時には電動機に誘起された逆起電圧が高くなることによって、インバータを構成する電力用半導体スイッチング素子（代表的にはＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）に耐圧を超えた電圧が印加されて損傷を招く可能性がある。

一方、特許文献２に開示された構成では、上記のような電動機システムにおいて、コンバータの故障検出時には、インバータによって零または正のトルクを出力するように交流モータを駆動して回生発電が禁止する異常処理が行なわれる。この異常処理によれば、コンバータおよびインバータの間に接続させるコンデンサに耐圧以上の直流電圧が印加されるのを防止できる。しかしながら、モータの逆起電圧に対して、インバータを構成する電力用半導体スイッチング素子の保護を図るための異常処理については言及されていない。

また、特許文献３〜５は、コンバータおよびインバータによって電動機を駆動制御するシステムを対象とするものではないから、コンバータの異常発生時の異常処理において、インバータをどのように制御すべきかについて何ら言及していない。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、コンバータおよびインバータの組合せによって電動機を駆動制御する構成の電動機システムにおいて、コンバータ異常発生時に、電動機に誘起される逆起電圧によるインバータの機器損傷の発生を防止した適切な異常処理を行なうことである。

この発明による電動機システムは、回転子に磁石が装着された電動機と、直流電源の出力電圧を電圧指令値に従った直流電圧に変換して電源線に出力するためのコンバータと、電源線と電動機の固定子との間に電気的に接続され、電源線の直流電圧を電動機の駆動電圧に変換するように構成されたインバータと、電源線に接続された蓄電器と、コンバータおよびインバータを制御するための制御装置とを備える。そして、制御装置は、異常検知手段と、高回転判定手段と、異常処理手段とを含む。異常検知手段は、コンバータの異常発生を検知する。高回転判定手段は、電動機の回転数に基づき、電動機が高回転状態であるか否かを判定する。異常処理手段は、異常検知手段によるコンバータの異常検知時に、電動機の非高回転状態時にはコンバータおよびインバータの動作を停止させる一方で、電動機の高回転状態時には、コンバータの動作を停止させるとともに、弱め界磁制御により電動機の駆動制御が行なわれるようにインバータの動作を継続させる。

上記電動機システムによれば、コンバータの異常発生が検知された場合には、電動機の逆起電圧が高くなる高回転状態時であるか否かを判定し、高回転状態時には、コンバータの動作を停止させるとともに、蓄電器に蓄積された電力を用いてインバータにより電動機を弱め界磁制御に従って継続的に駆動制御することができる。これにより、異常処理時における電動機の逆起電圧が過大となって、インバータを構成する電力用半導体スイッチング素子に耐圧を超えた電圧が印加されることを防止できる。この結果、コンバータ異常発生時に、電動機に誘起される逆起電圧によるインバータの機器損傷の発生を防止した適切な異常処理を行なうことができる。

好ましくは、高回転判定手段は、電動機の回転数と判定値との比較により高回転状態であるか否かを判定する。そして、判定値は、低温時に相対的に高回転数に設定されるように、電動機の温度に応じて可変に設定される。

このような構成とすることにより、電動機のインダクタンス成分の温度依存性を考慮して、逆起電圧が相対的に高くなる低温時においてインバータの機器損傷を発生させないように適切な異常処理を行なうことができる。

さらに好ましくは、電動機は、出力トルクにより電動車両の車輪を駆動するように構成される。特に、電車車両において、制御装置は、異常処理手段によるコンバータの異常検知時における異常処理の終了後に、蓄電器の蓄積電力および直流電源からの供給電力の少なくとも一方を用いて電動車両が電動機の出力トルクによる退避走行を行なうように、コンバータおよびインバータを制御する。

このような構成とすることにより、この発明による電動機システムによって駆動制御される電動機によって車両駆動力を発生する電動車両において、コンバータ異常発生時の異常処理を適切に行なうことができる。特に、該異常処理時にインバータの機器損傷の発生を防止できるので、異常処理の終了後に電動機出力を用いた退避運転が不能となることを回避することができる。

あるいは、電動車両において、異常処理手段による異常処理時における電動機の出力トルク指令をほぼ零に制御することにより、電動機が意図しない車両駆動力を発生することなくコンバータ異常発生時の異常処理を実行することができる。

この発明による電動機システムによれば、コンバータ異常発生時に、電動機に誘起される逆起電圧によるインバータの機器損傷の発生を防止した適切な異常処理を行なうことができる。

以下において、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお以下では図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則的に繰返さないものとする。

図１は、本発明の実施の形態に従う電動機システムの全体構成図である。
図１を参照して、本発明の実施の形態に従う電動機システム１００は、直流電圧発生部１０♯と、平滑コンデンサＣ０と、インバータ２０と、制御装置５０と、交流モータＭＧとを備える。

負荷６０は、交流モータＭＧの出力トルクによって回転駆動される。たとえば、負荷６０は、交流モータＭＧの出力トルクを伝達可能に連結された駆動軸６２と、駆動軸６２の回転に伴って回転駆動される駆動輪６５とを含む。

このように、交流モータＭＧは、代表的にはハイブリッド自動車または電気自動車等の電動車両の車輪（駆動輪）を駆動するためのトルクを発生する車両駆動用電動機として用いられる。あるいは、交流モータＭＧは、エンジンにて駆動される発電機の機能を持つように構成されてもよく、駆動輪６５の回転方向と反対方向の出力トルクを発生することにより回生発電を行なうように電動機および発電機への機能を併せ持つように構成されてもよい。さらに、交流モータＭＧは、エンジンに対して電動機として動作し、たとえば、エンジン始動を行ない得るようなものとしてハイブリッド自動車に組込まれるようにしてもよい。

直流電圧発生部１０♯は、直流電源Ｂと、システムリレーＳＲ１，ＳＲ２と、平滑コンデンサＣ１と、コンバータ１２とを含む。

直流電源Ｂとしては、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池、あるいは、電気二重層キャパシタ等の蓄電装置を適用可能である。直流電源Ｂが出力する直流電圧Ｖｂは、電圧センサ１０によって検知される。電圧センサ１０は、検出した直流電圧Ｖｂを制御装置５０へ出力する。

システムリレーＳＲ１は、直流電源Ｂの正極端子および電源ライン６の間に接続され、システムリレーＳＲ２は、直流電源Ｂの負極端子および接地ライン５の間に接続される。システムリレーＳＲ１，ＳＲ２は、制御装置５０からの信号ＳＥによりオン／オフされる。より具体的には、システムリレーＳＲ１，ＳＲ２は、制御装置５０からのＨ（論理ハイ）レベルの信号ＳＥによりオンされ、制御装置５０からのＬ（論理ロー）レベルの信号ＳＥによりオフされる。平滑コンデンサＣ１は、電源ライン６および接地ライン５の間に接続される。電圧センサ１４は、平滑コンデンサＣ１の両端の電圧を検出し、その検出値ＶＬを制御装置５０へ出力する。

コンバータ１２は、リアクトルＬ１と、電力用半導体スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２とを含む。電力用スイッチング素子Ｑ１およびＱ２は、電源ライン７および接地ライン５の間に直列に接続される。電力用スイッチング素子Ｑ１およびＱ２のオン・オフは、制御装置５０からのスイッチング制御信号Ｓ１およびＳ２によって制御される。

この発明の実施の形態において、電力用半導体スイッチング素子（以下、単に「スイッチング素子」と称する）としては、ＩＧＢＴ、電力用ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタあるいは、電力用バイポーラトランジスタ等を用いることができる。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に対しては、逆並列ダイオードＤ１，Ｄ２が配置されている。

リアクトルＬ１は、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２の接続ノードと電源ライン６の間に接続される。また、平滑コンデンサＣ０は、電源ライン７および接地ライン５の間に接続される。すなわち、電源ライン７は本発明における「電源線」に対応し、平滑コンデンサＣ０は電源ライン７は本発明における「蓄電器」に対応する。平滑コンデンサＣ０に代えて、あるいは平滑コンデンサＣ０に加えて、電気二重層キャパシタ等を電源ライン７および接地ライン５の間に接続してもよい。

インバータ２０は、電源ライン７および接地ライン５の間に並列に設けられる、Ｕ相アーム２２と、Ｖ相アーム２４と、Ｗ相アーム２６とから成る。各相アームは、電源ライン７および接地ライン５の間に直列接続されたスイッチング素子から構成される。たとえば、Ｕ相アーム２２は、スイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２から成り、Ｖ相アーム２４は、スイッチング素子Ｑ１３，Ｑ１４から成り、Ｗ相アーム２６は、スイッチング素子Ｑ１５，Ｑ１６から成る。また、スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１６に対して、逆並列ダイオードＤ１１〜Ｄ１６がそれぞれ接続されている。スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１６のオン・オフは、制御装置５０からのスイッチング制御信号Ｓ１１〜Ｓ１６によって制御される。

交流モータＭＧは、代表的には三相永久磁石形同期電動機で構成される。すなわち、図２に示すように、交流モータＭＧのロータ３０は、積層鋼板によって形成されるロータコア３４に設けられた装着孔に永久磁石３５を取付けることによって構成される。交流モータＭＧのステータ（図示せず）には、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の三相コイル巻線が巻回されており、各相コイル巻線の一端は、中性点Ｎにて互いに接続される。さらに、三相コイル巻線の他端は、インバータ２０の各相アーム２２，２４，２６のスイッチング素子の中間点と接続される。

コンバータ１２は、昇圧動作時には、直流電源Ｂから供給された直流電圧Ｖｂを昇圧した直流電圧ＶＨ（インバータ２０への入力電圧に相当するこの直流電圧を、以下「システム電圧ＶＨ」とも称する）をインバータ２０へ供給する。

より具体的には、制御装置５０からのスイッチング制御信号Ｓ１，Ｓ２に応答して、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のデューティ比（オン期間比率）が設定され、昇圧比は、デューティ比に応じたものとなる。

また、コンバータ１２は、降圧動作時には、平滑コンデンサＣ０を介してインバータ２０から供給された直流電圧（システム電圧）を降圧して直流電源Ｂを充電する。より具体的には、制御装置５０からのスイッチング制御信号Ｓ１，Ｓ２に応答して、スイッチング素子Ｑ１のみがオンする期間と、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の両方がオフする期間とが交互に設けられ、降圧比は上記オン期間のデューティ比に応じたものとなる。

平滑コンデンサＣ０は、コンバータ１２からの直流電圧を平滑化し、その平滑化した直流電圧をインバータ２０へ供給する。電圧センサ１３は、平滑コンデンサＣ０の両端の電圧、すなわち、システム電圧を検出し、その検出値ＶＨを制御装置５０へ出力する。

インバータ２０は、交流モータＭＧのトルク指令値が正（Ｔｑｃｏｍ＞０）の場合には、制御装置５０からのスイッチング制御信号Ｓ１１〜Ｓ１６に応答したスイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１６のスイッチング動作により、平滑コンデンサＣ０から供給される直流電圧を交流電圧に変換して正のトルクを出力するように交流モータＭＧを駆動する。また、インバータ２０は、交流モータＭＧのトルク指令値が零の場合（Ｔｑｃｏｍ＝０）には、スイッチング制御信号Ｓ１１〜Ｓ１６に応答したスイッチング動作により、直流電圧を交流電圧に変換してトルクが零になるように交流モータＭＧを駆動する。これにより、交流モータＭＧは、トルク指令値Ｔｑｃｏｍによって指定された零または正のトルクを発生するように駆動される。

さらに、電動機システム１００が搭載されたハイブリッド自動車または電気自動車の回生制動時には、交流モータＭＧのトルク指令値Ｔｑｃｏｍは負に設定される（Ｔｑｃｏｍ＜０）。この場合には、インバータ２０は、スイッチング制御信号Ｓ１１〜Ｓ１６に応答したスイッチング動作により、交流モータＭＧが発電した交流電圧を直流電圧に変換し、その変換した直流電圧（システム電圧）を平滑コンデンサＣ０を介してコンバータ１２へ供給する。なお、ここで言う回生制動とは、ハイブリッド自動車または電気自動車を運転するドライバーによるフットブレーキ操作があった場合の回生発電を伴う制動や、フットブレーキを操作しないものの、走行中にアクセルペダルをオフすることで回生発電をさせながら車両を減速（または加速の中止）させることを含む。

電流センサ２７は、交流モータＭＧに流れるモータ電流ＭＣＲＴを検出し、その検出したモータ電流を制御装置５０へ出力する。なお、三相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗの瞬時値の和は零であるので、図１に示すように電流センサ２７は２相分のモータ電流（たとえば、Ｖ相電流ｉｖおよびＷ相電流ｉｗ）を検出するように配置すれば足りる。

回転角センサ（レゾルバ）２８は、交流モータＭＧの図示しない回転子の回転角θを検出し、その検出した回転角θを制御装置５０へ送出する。制御装置５０では、回転角θに基づき交流モータＭＧの回転数Ｎｍを算出することができる。

制御装置５０は、外部に設けられた電子制御ユニット（ＥＣＵ）から入力されたトルク指令値Ｔｑｃｏｍ、電圧センサ１０によって検出されたバッテリ電圧Ｖｂ、電圧センサ１３によって検出されたシステム電圧ＶＨおよび電流センサ２７からのモータ電流ＭＣＲＴ、回転角センサ２８からの回転角θに基づいて、交流モータＭＧがトルク指令値Ｔｑｃｏｍに従ったトルクを出力するように、インバータ２０の動作を制御する。すなわち、制御装置５０は、インバータ２０を上記のように制御するためのスイッチング制御信号Ｓ１１〜Ｓ１６を生成して、インバータ２０へ出力する。

コンバータ１２の昇圧動作時には、制御装置５０は、交流モータＭＧの運転状態に応じてシステム電圧ＶＨの電圧指令値を算出し、この電圧指令値および電圧センサ１３，１４による検出電圧に基づいて、出力電圧ＶＨを電圧指令値へ一致させる電圧変換動作が行なわれるように、スイッチング制御信号Ｓ１，Ｓ２を生成する。

また、制御装置５０は、ハイブリッド自動車または電気自動車が回生制動モードに入ったことを示す制御信号ＲＧＥを外部ＥＣＵから受けると、交流モータＭＧで発電された交流電圧を直流電圧に変換するようにスイッチング制御信号Ｓ１１〜Ｓ１６を生成してインバータ２０へ出力する。これにより、インバータ２０は、交流モータＭＧからの回生電力を直流電圧に変換してコンバータ１２へ供給する。

さらに、制御装置５０は、制御信号ＲＧＥに応答して、インバータ２０から供給された直流電圧を降圧するようにスイッチング制御信号Ｓ１，Ｓ２を生成し、コンバータ１２へ出力する。このようにして、交流モータＭＧからの回生電力は、直流電源Ｂの充電に用いられる。

さらに、制御装置５０は、電動機システム１００の起動／停止時に、システムリレーＳＲ１，ＳＲ２をオン／オフするための信号ＳＥを生成してシステムリレーＳＲ１，ＳＲ２へ出力する。

制御装置５０には、さらに、直流電源Ｂに関する、充電率（ＳＯＣ：State of Charge
）や充電制限を示す入力可能電力量Ｗｉｎ等の情報が入力される。これにより、制御装置５０は、直流電源Ｂの過充電あるいは過放電が発生しないように、電動機システム１００での消費電力および発電電力（回生電力）を制御する。

また、コンバータ１２から制御装置５０へは、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の過熱異常や過電流異常が発生、あるいは検出回路が故障した場合に「オン」されるコンバータ故障発生信号ＦＬＣが入力される。なお、本明細書では、信号やフラグを論理ハイレベルに設定することを、該信号・フラグを「オン」するとも表記し、信号やフラグを論理ローレベルに設定することを、該信号・フラグを「オフ」するとも表記することとする。

同様に、インバータ２０から制御装置５０へは、スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１６の過熱異常や過電流異常が発生、あるいは検出回路が故障した場合にオンされるインバータ故障発生信号ＦＬＩが入力される。

電動機システム１００における交流モータＭＧの駆動制御は、基本的には以下に説明するような、モータ電流ＭＣＲＴのフィードバック制御によって行なわれる。

図３は、図１に示す電動機システム１００における電動機制御構成を説明する制御ブロック図である。

図３を参照して、電動機制御ブロック２００は、電流指令生成部２１０と、座標変換部２２０，２５０と、回転数演算部２３０と、ＰＩ演算部２４０と、ＰＷＭ信号生成部２６０とを含む。なお、電動機制御ブロック２００は、制御装置５０に予め記憶されたプログラムを所定周期で実行することにより実現される制御装置５０の機能ブロックを示すものである。

電流指令生成部２１０は、予め作成されたテーブル等に従って、交流モータＭＧのトルク指令値Ｔｑｃｏｍに従って、電流指令値ＩｄｃｏｍおよびＩｑｃｏｍを生成する。

座標変換部２２０は、交流モータＭＧに設けられた回転角センサ２８によって検出される交流モータＭＧの回転角θを用いた座標変換（３相→２相）により、電流センサ２７によって検出されたモータ電流ＭＣＲＴ（ｉｖ，ｉｗ，ｉｕ＝−（ｉｖ＋ｉｗ））を基に、ｄ軸電流ｉｄおよびｑ軸電流ｉｑを算出する。回転数演算部２３０は、回転角センサ２８の出力に基づいて、交流モータＭＧの回転数Ｎｍを演算する。

ＰＩ演算部２４０には、ｄ軸電流の指令値に対する偏差ΔＩｄ（ΔＩｄ＝Ｉｄｃｏｍ−ｉｄ）およびｑ軸電流の指令値に対する偏差ΔＩｑ（ΔＩｑ＝Ｉｑｃｏｍ−ｉｑ）が入力される。ＰＩ演算部２４０は、ｄ軸電流偏差ΔＩｄおよびｑ軸電流偏差ΔＩｑのそれぞれについて、所定ゲインによるＰＩ演算を行なって制御偏差を求め、この制御偏差に応じたｄ軸電圧指令値Ｖｄ♯およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ♯を生成する。

座標変換部２５０は、交流モータＭＧの回転角θを用いた座標変換（２相→３相）によって、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ♯およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ♯をＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに変換する。なお、ｄ軸，ｑ軸電圧指令値Ｖｄ♯，Ｖｑ♯から各相電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗへの変換には、直流電圧ＶＨも反映される。

ＰＷＭ信号生成部２６０は、各相における電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと所定の搬送波（代表的には三角波）との比較に基づくパルス幅変調（ＰＷＭ）制御により、図１に示した、インバータ２０のスイッチング制御信号Ｓ１１〜Ｓ１６を生成する。

インバータ２０が、電動機制御ブロック２００によって生成されたスイッチング制御信号Ｓ１１〜Ｓ１６に従ってスイッチング制御されることにより、交流モータＭＧに対してトルク指令値Ｔｑｃｏｍに従ったトルクを出力するための交流電圧が印加される。

次に図４〜図６を用いて電動機制御特性の概要を説明する。
図４には、図３に示した電動機制御によって駆動される交流モータＭＧにおいて、モータ電流（交流）振幅を一定した場合における電流位相に対する出力トルクの関係が示される。

図４に示されるように、モータトルクは、電流位相角を９０°よりも進めた場合に最大となる。これは、位相を進めることでリラクタンストルクが増加するためである。各電流振幅のグラフのトルク最大となる点を結んだ線が、電流が最小となるモータの最適動作ラインである。このライン上で動作させれば、モータを効率よく駆動し大きなトルクを出すことができる。このライン上で動かす制御を最大トルク制御という。すなわち、トルク指令値Ｔｑｃｏｍに対応して、最適動作ライン上となる電流位相となるように電流指令値が設定される。具体的には、トルク指令値Ｔｑｃｏｍに対して最大トルク制御のための電流指令値（Ｉｄｃｏｍ，Ｉｑｃｏｍ）を予め対応させたマップを参照することによって、最大トルク制御時の電流指令値Ｉｄｃｏｍ，Ｉｑｃｏｍ（図３）が設定される。

ここで、永久磁石モータの定常状態の電圧方程式および出力トルクは、下記（１）〜（３）式で示される。

電圧方程式（１），（２）およびトルク式（３）において、ｖｄはｄ軸電圧を示し、ｖｑはｑ軸電圧を示す。また、ω（ｒａｄ／ｓ）は交流モータＭＧの回転角速度（ω＝２π・ｐ・Ｎ／６０，ｐ：極対数，Ｎ：モータ回転数（ｒｐｍ））を示し、Ｋｅは界磁起磁力を示す。また、交流モータＭＧの端子電圧Ｖａｃは、ｄ軸電圧ｖｄおよびｑ軸電圧ｖｑを用いて（４）式で示される。

交流モータＭＧの逆起電圧（Ｖａｃに相当）がインバータの電源電圧（直流入力電圧ＶＨ）よりも高くなると電流の制御が不能となるため、交流モータＭＧの高回転時には、モータ回転数の上昇に応じてｄ軸電流ｉｄの絶対値を増やすことにより逆起電力Ｋｅ・ωを打ち消す方向に励磁する弱め界磁制御理論に従って、電流指令値が生成される。

図５には、電流振幅を一定とした場合における、交流モータＭＧの単位回転数当たりの誘起電圧定数について電流位相に対する特性が示される。

図５に示されるように、電流位相を進めると誘起電圧定数は低下する。ｄ軸電流の絶対値を増やすように、トルク指令値に対応した電流指令値を設定することにより、図５のグラフ上で電流位相が進められることと等価となる。すなわち、弱め界磁制御時には、トルク指令値Ｔｑｃｏｍに対して電流位相が進められるように電流指令値が設定される。たとえば、トルク指令値Ｔｑｃｏｍに対して弱め界磁制御のための電流指令値（Ｉｄｃｏｍ，Ｉｑｃｏｍ）を予め対応させた別マップを参照することによって、弱め界磁制御時における電流指令値Ｉｄｃｏｍ，Ｉｑｃｏｍ（図３）が設定される。

弱め界磁制御では、図４に示した最適動作ラインよりも右側の電流位相領域で交流モータＭＧが駆動制御されるので、同じ電流に対してトルクが小さくなり効率は悪くなるが高回転域までの運転が可能となる。したがって、一般的な電動機制御として、図６に示されるように、回転数およびトルクに応じて、基本的には最大トルク制御を行ないつつ、逆起電圧の抑制が必要となる高回転数領域では、最大トルク制御に代えて弱め界磁制御を適用するように制御方式が切換えられる。

図７は、本発明の実施の形態に従う電動機システムにおけるコンバータ異常発生時の異常処理制御構成を示すブロック図である。図７に示された各機能ブロックは、制御装置５０によるハードウェア処理あるいはソフトウェア処理によって実現される。

図７を参照して、コンバータ異常検知部３００は、コンバータ１２からのコンバータ故障発生信号ＦＬＣあるいは、電圧センサ１４によって検出されたコンバータ１２の入力側（直流電源側）電圧に基づき、故障発生フラグＯＶＬおよびＦＣＶを発生する。

故障発生フラグＯＶＬは、コンバータ１２の入力側電圧の異常時にオンされるフラグであり、電圧ＶＬが異常に上昇した場合（過電圧）または電圧センサ１４の故障時にオンされる。一方、故障発生フラグＦＣＶは、コンバータ１２の構成要素の異常発生時にオンされるフラグであり、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２等の過熱異常や過電流異常の発生時、あるいは検出センサ故障時にオンされる。

高回転判定部３１０は、回転角センサ２８の出力に基づいて算出された交流モータＭＧの回転数Ｎｍと、判定値Ｎｔｈとの比較に基づき、交流モータＭＧが高回転状態であるかどうかを判定する。高回転判定部３１０は、Ｎｍ＞Ｎｔｈのとき、すなわち、交流モータＭＧが高回転状態と判定されるときに高回転フラグＨＳをオンし、それ以外のときは（Ｎｍ≦Ｎｔｈ）高回転フラグＨＳをオフする。

ロータに永久磁石が装着された電動機を交流モータＭＧとして用いた場合には、ロータ回転に伴いステータ巻線（三相コイル巻線）の鎖交磁束が変化することによって交流モータＭＧに逆起電圧が誘起される。したがって、交流モータＭＧの回転数が高いときにインバータ２０の動作を停止させると、過大な逆起電圧が、インバータ２０を構成するスイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１６に印加されて、素子故障を招くおそれがある。

図８は、交流モータＭＧにおける回転数Ｎｍおよびモータ温度Ｔｍと逆起電圧Ｖｍとの関係を示す概念図である。

図８を参照して、逆起電圧Ｖｍは、回転数Ｎｍに比例して変化する。図８上での逆起電圧Ｖｍの傾きは、インバータ停止時、すなわち弱め界磁制御非実行時における、誘起電圧定数（図５）に相当する。

また、モータ高温時には、減磁作用により交流モータＭＧのインダクタンス成分が低下するため、同一回転数に対する逆起電圧Ｖｍが低下する。これと反対に、モータ低温時には相対的に逆起電圧Ｖｍは高くなる。

したがって、インバータ２０のスイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１６の耐圧を考慮して、これらのスイッチング素子に損傷を生じさせないための、逆起電圧のしきい値Ｖｔｈを設定すると、逆起電圧Ｖｍがしきい値Ｖｔｈに達する回転数Ｎｍ♯は、低温時に相対的に低くなり高温時に相対的に高くなる。

この回転数Ｎｍ♯を高回転判定部３１０での高回転状態の判定値Ｎｔｈとして用いることにより、弱め界磁制御が必要な交流モータＭＧの「高回転状態」を適切に判定できる。すなわち、逆起電圧Ｖｍがしきい値Ｖｔｈに達する回転数Ｎｔｈよりも回転数Ｎｍが高いときに、交流モータＭＧが「高回転状態」であると判定することが可能となる。

図９に示すように、高回転判定部３１０での判定値Ｎｔｈは、図８中の各モータ温度における回転数Ｎｍ♯に対応させて、モータ温度Ｔｍに応じて可変に設定される。具体的には、モータ温度に応じた交流モータのインダクタンス成分の変化を反映して、判定値（回転数）Ｎｔｈは、モータ低温時に相対的に低く設定され、モータ高温時に相対的に高く設定される。

なお、一般的に各スイッチング素子の耐圧が低温時には低下するので、図８中の逆起電圧のしきい値Ｖｔｈを低温時には低く設定するようにして判定値Ｎｔｈを設定してもよい。このときにも、判定値Ｎｔｈは、低温時に相対的に低くなる方向に設定される。

以上の説明から理解されるように、交流モータＭＧが高回転状態のときには、コンバータ１２の異常発生時であっても、インバータ２０については動作を継続して弱め界磁制御を行い交流モータＭＧの逆起電圧を低減する必要がある。

再び図７を参照して、異常処理制御部３２０は、ＡＮＤゲート３２２，３２４，３２８と、ＯＲゲート３２５，３２６とを含む。

ＯＲゲート３２５は、故障発生フラグＯＶＬおよびＦＣＶの論理和演算結果に従って、コンバータ停止信号ＳＣＶを生成する。したがって、故障発生フラグＯＶＬおよびＦＣＶのいずれかがオンされたときに、コンバータ停止信号ＳＣＶがオンされる。制御装置５０は、コンバータ停止信号ＳＣＶがオンされると、コンバータ１２の動作を停止、すなわちスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のゲートを遮断してオフ状態に維持する。

ＡＮＤゲート３２２は、故障発生フラグＯＶＬおよび高回転フラグＨＳの論理積演算結果を出力する。同様にＡＮＤゲート３２４は、故障発生フラグＦＣＶおよび高回転フラグＨＳの論理積演算結果を出力する。そして、ＯＲゲート３２６は、ＡＮＤゲート３２２および３２４の出力のいずれかがオンされたときに、インバータ停止信号ＳＩＶをオンする。制御装置５０は、インバータ停止信号ＳＩＶがオンされると、インバータ２０の動作を停止、すなわちスイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１６のゲートを遮断してオフ状態に維持する。

ＡＮＤゲート３２８は、コンバータ停止信号ＳＣＶおよび高回転フラグＨＳとの論理積演算結果に従って、弱め界磁制御信号ＷＦＣを設定する。したがって、交流モータＭＧが高回転状態時にコンバータ異常が検知されると、弱め界磁制御信号ＷＦＣがオンされる。

以上のようにコンバータ停止信号ＳＣＶ、インバータ停止信号ＳＩＶ、および弱め界磁制御信号ＷＦＣを設定することにより、制御装置５０は、コンバータ１２の動作が停止される異常処理時において、交流モータＭＧが高回転状態でないときには、コンバータ１２およびインバータ２０の両方の動作を停止させる一方で、交流モータＭＧが高回転状態のときには、コンバータ１２の動作を停止させるとともに、弱め界磁制御により逆起電圧を低減するようにインバータ２０の動作を継続させる。

図１０は、本発明の実施の形態による電動機システムにおけるコンバータ異常発生時の異常処理を説明するためのフローチャートである。図１０に示したフローチャートに従う制御処理は、制御装置５０に予め格納されたプログラムを所定周期毎に実行することにより実現される。

図１０を参照して、制御装置５０は、ステップＳ１００では、コンバータに異常が発生しているかどうかを判定する。すなわち、ステップＳ１００の処理は図７のコンバータ異常検知部３００の動作に相当する。コンバータ１２に異常が発生していない場合（ステップＳ１００のＮＯ判定時）には、以降の異常処理は実行されることなく処理は終了される。

コンバータ１２の異常発生時（ステップＳ１００のＹＥＳ判定時）には、制御装置５０は、ステップＳ１１０により、交流モータＭＧが高回転状態であるかどうか判定する。すなわち、ステップＳ１１０の処理は、図７における高回転判定部３１０の機能に相当する。

制御装置５０は、交流モータＭＧが高回転状態でない場合（ステップＳ１１０のＮＯ判定時）には、ステップＳ１２０により、コンバータ１２およびインバータ２０の両方とも動作を停止させる。すなわち、各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ１１〜Ｑ１６はオフ状態とされる。

一方、交流モータＭＧが高回転状態である場合（ステップＳ１１０のＹＥＳ判定時）には、制御装置５０は、ステップＳ１３０により、コンバータ１２の動作を停止させる一方で、インバータ２０は動作を継続させて弱め界磁制御により交流モータＭＧを駆動する。これにより、コンバータ１２の動作停止により、直流電源Ｂからの電力供給は停止されるものの、平滑コンデンサＣ０の蓄積電力を用いて、インバータ２０によって弱め界磁制御による交流モータＭＧの駆動制御を継続できる。この結果、交流モータＭＧによる過大な逆起電圧がインバータ２０のスイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１６に印加されることを防止できる。そして、交流モータＭＧの回転数が低下して高回転状態と判定されなくなると、図７の高回転フラグＨＳがオフされて、インバータ２０も動作が停止される。このように、ステップＳ１２０により、コンバータ１２およびインバータ２０の動作が停止されることによって、電動機システム１００によるコンバータ異常発生時の異常処理が終了する。

なお、図１に示したように交流モータＭＧが電動車両の車両駆動用電動機として用いられる場合には、異常処理での弱め界磁制御時におけるトルク指令値Ｔｑｃｏｍをほぼ零に設定することにより、電動車両に意図しない車両駆動力を発生させることなくコンバータ異常発生時の異常処理を実行することができる。

このように、本実施の形態による電動機システムでは、コンバータ１２の異常検知時にインバータ２０を一律に動作停止させることなく、そのときの交流モータＭＧの回転数に応じて弱め界磁制御によるインバータ動作を継続することとしたので、コンバータ異常発生時に、交流モータＭＧに誘起される逆起電圧によるインバータ２０の機器損傷の発生を防止した適切な異常処理を行なうことができる。

電動機システムでの異常処理を上記のようにすることにより、交流モータＭＧが電動車両の車両駆動用電動機として用いられる場合には、より安定的に電動車両の退避運転が実行可能となる。

図１１は、本発明の実施の形態による電動機システムが搭載された電動車両におけるコンバータ異常発生時の異常処理を説明するフローチャートである。

図１１を参照して制御装置５０は、ステップＳ１００によりコンバータの異常が発生しているかどうかを判定する。そしてコンバータの異常発生時（ステップＳ１００のＹＥＳ判定時）には、ステップＳ２００により、図１０に示したステップＳ１１０〜Ｓ１３０に従う電動機システム１００での保護処理が、一次的な異常処理として実行される。

コンバータ１２およびインバータ２０の動作が停止されて、電動機システム１００におけるコンバータ異常発生時の異常処理が終了すると、制御装置５０は、ステップＳ３００により、路肩等の安全な位置まで運転することができるように、二次的な異常処理として、電動車両を退避走行モードに設定する。退避走行モードでは、コンバータ１２ではスイッチング素子Ｑ１をオンに固定して、直流電源Ｂの出力電圧を昇圧することなく交流モータＭＧをインバータ２０により駆動制御して、退避走行のための車両駆動力が発生される。なお、コンバータ１２にスッチング素子Ｑ１をオン不能な故障が発生している場合には、平滑コンデンサＣ０の蓄積電力によって退避走行が行なわれる。

すなわち、本発明の実施の形態による電動機システムが搭載された電動車両では、コンバータ異常発生時における電動機システムの異常処理（ステップＳ２００）においてインバータ２０に故障が発生することを防止できるので、その後の退避走行をより確実に実行可能とすることができる。この結果、コンバータ異常発生時における電動車両の安全性を向上することができる。

なお、本実施の形態では、本発明による電動機システムが、ハイブリッド自動車または電気自動車等の電動車両に搭載される実施例を示したが、本発明の適用はこのような搭載例に限定されるものではない。すなわち、回転子に磁石が装着されてインバータ停止時にも逆起電圧が発生される電動機を、コンバータおよびインバータの組合わせによって駆動制御する構成の電動機システムである限り、負荷の構成を特に限定することなく本発明の適用が可能であることについて、確認的に記載しておく。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態に従う電動機システムの全体構成図である。 図１に示した交流モータのロータ構造例を示す概念図である。 図１に示した電動機システムにおける電動機制御構成を説明するブロック図である。 電動機制御における電流位相と出力トルクとの関係を示す概念図である。 電動機制御における電流位相と電動機に誘起される逆起電圧との関係を示す概念図である。 電動機の動作状態と電動機制御方式との関係を示す概念図である。 本発明の実施の形態に従う電動機システムにおけるコンバータ異常発生時の異常処理制御構成を示すブロック図である。 電動機における回転数および温度と逆起電圧との関係を説明する概念図である。 高回転状態の判定値のモータ温度に応じた設定を説明する概念図である。 本発明の実施の形態による電動機システムにおけるコンバータ異常発生時の異常処理を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施の形態による電動機システムが搭載された電動車両におけるコンバータ異常発生時の異常処理を説明するフローチャートである。

符号の説明

５ 接地ライン、６，７ 電源ライン、１０，１３，１４ 電圧センサ、１０♯ 直流電圧発生部、１２ コンバータ、２０ インバータ、２２，２４，２６ 各相アーム、２７ 電流センサ、２８ 回転角センサ、３０ ロータ、３４ ロータコア、３５ 永久磁石、５０ 制御装置、６０ 負荷、６２ 駆動軸、６５ 駆動輪、１００ 電動機システム、２００ 電動機制御ブロック、２１０ 電流指令生成部、２２０，２５０ 座標変換部、２２０ 座標変換部、２３０ 回転数演算部、２４０ 演算部、２５０ 座標変換部、２６０ ＰＷＭ信号生成部、３００ コンバータ異常検知部、３１０ 高回転判定部、３２０ 異常処理制御部、３２２，３２４，３２８ 論理積（ＡＮＤ）ゲート、３２５，３２６ 論理和（ＯＲ）ゲート、Ｂ 直流電源、Ｃ０，Ｃ１ 平滑コンデンサ、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ１１〜Ｄ１６ 逆並列ダイオード、ＦＣＶ，ＯＶＬ 故障発生フラグ、ＦＬＣ コンバータ故障発生信号、ＦＬＩ インバータ故障発生信号、ＨＳ 高回転フラグ、ｉｄ ｄ軸電流、Ｉｄｃｏｍ，Ｉｑｃｏｍ 電流指令値、ｉｑ ｑ軸電流、ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ 三相電流、Ｌ１ リアクトル、ＭＣＲＴ モータ電流、ＭＧ 交流モータ、Ｎ 中性点、Ｎｍ 回転数（交流モータ）、Ｎｔｈ 高回転状態判定値（回転数）、Ｑ１，Ｑ２，Ｑ１１〜Ｑ１６ 電力用半導体スイッチング素子、ＲＧＥ 制御信号（回生指示）、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ１１〜Ｓ１６ スイッチング制御信号、ＳＣＶ コンバータ停止信号、ＳＩＶ インバータ停止信号、ＳＲ１，ＳＲ２ システムリレー、Ｔｍ モータ温度、Ｔｑｃｏｍ トルク指令値、Ｖｂ 直流電圧、Ｖｄ ｑ軸電圧指令値、Ｖｂ，ＶＨ，ＶＬ 直流電圧、Ｖｍ 逆起電圧（交流モータＭＧ）、Ｖｑ ｑ軸電圧指令値、Ｖｔｈ 誘起電圧しきい値、Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ 各相電圧指令値、ＷＦＣ 弱め界磁制御信号、Ｗｉｎ 入力可能電力量、ΔＩｄ ｄ軸電流偏差、ΔＩｑ ｑ軸電流偏差、θ 回転角。

Claims (5)

1. 回転子に磁石が装着された電動機と、
   前記直流電源の出力電圧を電圧指令値に従った直流電圧に変換して電源線に出力するためのコンバータと、
   前記電源線と前記電動機の固定子との間に電気的に接続され、前記電源線の直流電圧を前記電動機の駆動電圧に変換するように構成されたインバータと、
   前記電源線に接続された蓄電器と、
   前記コンバータおよび前記インバータを制御するための制御装置とを備え、
   前記制御装置は、
   前記コンバータの異常発生を検知する異常検知手段と、
   前記電動機の回転数に基づき、前記電動機が高回転状態であるか否かを判定する高回転判定手段と、
   前記異常検知手段による前記コンバータの異常検知時に、前記電動機の非高回転状態時には前記コンバータおよび前記インバータの動作を停止させる一方で、前記電動機の高回転状態時には、前記コンバータの動作を停止させるとともに、弱め界磁制御により前記電動機の駆動制御が行なわれるように前記インバータの動作を継続させる異常処理手段とを含む、電動機システム。
2. 前記高回転判定手段は、前記電動機の回転数と判定値との比較により前記高回転状態であるか否かを判定し、
   前記判定値は、低温時に相対的に高回転数に設定されるように、前記電動機の温度に応じて可変に設定される、請求項１記載の電動機システム。
3. 前記電動機は、出力トルクにより電動車両の車輪を駆動するように構成される、請求項１または２に記載の電動機システム。
4. 前記制御装置は、前記異常処理手段による前記コンバータの異常検知時における異常処理の終了後に、前記蓄電器の蓄積電力および前記直流電源からの供給電力の少なくとも一方を用いて前記電動車両が前記電動機の出力トルクによる退避走行を行なうように、前記コンバータおよび前記インバータを制御する、請求項３記載の電動機システム。
5. 前記異常処理手段による異常処理時における前記インバータの動作継続時には、前記電動機の出力トルク指令はほぼ零に制御される、請求項３記載の電動機システム。

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