JP2011035978A - 永久磁石モータの駆動システム及び電動車両 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石モータの適切な過電流保護を行いながらモータの能力を最大限発揮させるようにした駆動システム及び電動車両を提供する。
【解決手段】永久磁石モータを駆動する駆動システムであって、インバータの直流母線の負極または正極とモータの固定子巻線の中性点との間に直流電源が接続され、インバータがモータの零相分電流を制御することにより直流電源の電圧を昇圧して直流母線側に供給可能とした駆動システムにおいて、モータＭ_１の全相の相電流を検出する手段１６Ａと、検出した全相の相電流から零相分電流を算出し、この零相分電流の各相の分担量を各相の相電流から減じて全相の正相分電流をそれぞれ算出すると共に、算出した全相の正相分電流のうち何れかの相の正相分電流が予め設定した保護電流レベルを超えたときに過電流と判断して保護信号ｔｒｉｐを出力する保護信号生成回路１２Ａと、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石モータの過電流に起因する減磁を防止可能とした駆動システム、並びに、この駆動システムを搭載した電動車両に関するものである。

特許文献１には、永久磁石モータの相電流が予め設定した保護電流レベル（許容減磁電流値）より大きくなった場合に、電力変換器の半導体スイッチング素子に与えるゲート信号を遮断して永久磁石の減磁を防止するようにしたモータ制御装置が記載されている。

一方、特許文献２には、三相電圧形インバータによるモータの駆動システムにおいて、インバータによりモータの零相分電流を制御することにより、直流電源電圧を昇圧してインバータの直流母線側に供給し、この母線電圧を所定値に制御することが記載されている。
図９は、この特許文献２に記載された回路を示している。この回路では、インバータＩＮＶの上アームまたは下アームの半導体スイッチング素子の全オンまたは全オフによりインバータＩＮＶを２象限チョッパとして動作させながらモータＭの零相分電流を制御することで、直流電源Ｂの電圧を昇圧して直流母線側のコンデンサＣに供給している。なお、Ｍ_ｍはモータＭの固定子巻線の中性点、Ｔ_１１〜Ｔ_１６は半導体スイッチング素子、Ｐは直流母線の正極、Ｎは負極である。

特開２００６−２２３０３７号公報（段落［００１３］，［００１４］、図１，図３等） 特許第３２２３８４２号公報（段落［００２９］，［００３０］、図１０，図１１等）

図９に示した特許文献２の回路において、特許文献１に記載された方法によって減磁保護を行う場合、モータＭの相電流には減磁に影響しない零相分電流が含まれているため、単に相電流を検出するだけであると、正相分電流が保護電流レベルより低い電流域であるにも関わらず過電流と誤認してしまい、モータＭの能力を最大限に発揮できない場合がある。
上記の問題を、図１０を用いて説明する。

例えば、図９に示した回路において、モータＭの相電流には、トルクに寄与する正相分電流以外に、直流電源ＢとコンデンサＣ（直流母線）との間でエネルギーをやり取りするための零相分電流が重畳している。すなわち、図１０に示すごとく、検出されるモータＭの相電流は、正相分電流と零相分電流との加算値である。
一方、モータの保護電流レベルについて考えると、特許文献１の方法ではモータの相電流（つまり正相分電流と零相分電流との加算値）に対して設定するので、図１０に示すように、重畳された零相分電流（本来であれば正相分電流として流せる電流）により、正相分電流が保護電流レベルに達していないにもかかわらず、過電流保護動作が働いてしまう場合がある。

そこで、本発明の解決課題は、図９のように構成されて直流電源電圧を昇圧する機能を備えた永久磁石モータの駆動システムにおいて、適切な過電流保護を行いながらモータの能力を最大限発揮させるようにした駆動システム、及び、この駆動システムを搭載した電動車両を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る駆動システムは、半導体スイッチング素子からなる電力変換器により永久磁石モータを駆動する駆動システムであって、前記電力変換器の直流母線の負極または正極と前記モータの固定子巻線の中性点との間に直流電源が接続され、前記電力変換器が前記モータの零相分電流を制御することにより前記直流電源の電圧を昇圧して前記直流母線側に供給可能とした駆動システムにおいて、
前記モータの全相の相電流を検出する手段と、
検出した全相の相電流から前記零相分電流を算出し、この零相分電流の各相の分担量を各相の相電流から減じて全相の正相分電流をそれぞれ算出する手段と、
算出した全相の正相分電流のうち何れかの相の正相分電流が予め設定した保護電流レベルを超えたときに過電流と判断して前記モータに対する保護動作を実行する手段と、を備えたものである。

請求項２に係る駆動システムは、半導体スイッチング素子からなる電力変換器によりｎ（ｎは２以上の自然数）相の永久磁石モータを駆動する駆動システムであって、前記電力変換器の直流母線の負極または正極と前記モータの固定子巻線の中性点との間に直流電源が接続され、前記電力変換器が前記モータの零相分電流を制御することにより前記直流電源の電圧を昇圧して前記直流母線側に供給可能とした駆動システムにおいて、
前記モータの任意の一相を除いた（ｎ−１）相の相電流を検出する手段と、
前記零相分電流を検出する手段と、
前記零相分電流のｎ相各相の分担量を、（ｎ−１）相各相の相電流から減じて（ｎ−１）相の正相分電流をそれぞれ算出する手段と、
（ｎ−１）相の正相分電流を用いて前記任意の一相の正相分電流を算出する手段と、
算出した全相の正相分電流のうち何れかの相の正相分電流が予め設定した保護電流レベルを超えたときに過電流と判断して前記モータに対する保護動作を実行する手段と、を備えたものである。

請求項３に係る電動車両は、請求項１または２に記載した永久磁石モータの駆動システムを搭載したことを特徴とする。

本発明によれば、永久磁石モータの相電流から正相分電流のみを抽出して過電流保護を行うことにより、モータの相電流を実質的に従来よりも多く流せるようにしてモータの能力を最大限発揮させることができる。これにより、駆動システムの利用効率が高くなるので、従来技術に比べて、駆動システムを相対的に小型化し、低コスト化することができる。

本発明の実施例１を示す回路図である。 図１における保護信号生成回路の主要部の構成図である。 図１におけるＰＷＭ生成回路の構成図である。 図１におけるモータ・昇圧制御回路の構成図である。 本発明の実施例２を示す回路図である。 図５における保護信号生成回路の主要部の構成図である。 実施例２におけるＶ相の正相分電流を求めるための回路図である。 図５におけるモータ・昇圧制御回路の構成図である。 特許文献２に記載された回路図である。 従来技術を示す相電流、正相分電流、零相分電流等の説明図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
この実施形態は、図９に示したように、電力変換器による永久磁石モータの駆動システムであって、電力変換器の直流母線の負極または正極とモータの固定子巻線の中性点との間に直流電源が接続され、電力変換器によりモータの零相分電流を制御することにより、直流電源電圧を昇圧して直流母線側に供給する機能を備えた駆動システムを対象としている。
そして、本実施形態では、上記駆動システムにおいて、モータの相電流検出値から零相分電流を除去した正相分電流を演算し、その正相分電流が予め設定した保護電流レベルを超えたら過電流と判断してモータへの通流を停止し、減磁保護を行うものである。

ここでは、モータの相数をｎ（ｎは２以上の自然数）とし、零相分電流を除いた各相の正相分電流を検出する前提とする。
モータの各相インピーダンスが等しければ、零相分電流ｉ_ｚは、各相にｎ分の１ずつ流れるので、各相の相電流ｉ_ｋ、正相分電流ｉ_ｋＭ及び分担する零相分電流（ｉ_ｚ／ｎ）の関係は数式１となる。また、モータを駆動する正相分電流ｉ_ｋＭは対称交流であるため、数式２が成立する。

これらの数式１、数式２から、数式３に示すように、各相電流ｉ_ｋを加算すれば零相分電流ｉ_ｚを求めることができる。そして、この零相分電流ｉ_ｚを用いて、数式１を変形した数式４の演算を行うことにより、各相の正相分電流ｉ_ｋＭを求めることができる。
こうして演算された各相の正相分電流ｉ_ｋＭと減磁保護用の保護電流レベルとを比較することにより、モータの過電流を相ごとに検出すればよい。

また、ｎ相のうち任意の一相を除いた（ｎ−１）相分の電流検出値と零相分電流検出値とを用いても、同様にすべての相の正相分電流を演算することができる。
すなわち、電流検出から除外する任意の一相の電流をｉ_ｎとすると、これ以外の他相の正相分電流ｉ_ｋＭは数式５によって演算可能である。ここで、正相分電流ｉ_ｋＭは対称交流であって前記数式２の関係があることから、電流検出から除外する任意の一相の電流ｉ_ｎの正相分電流ｉ_ｎＭは、数式６となる。

この場合にも、前述した全相の電流検出時と同様に、（ｎ−１）相の正相分電流ｉ_ｋＭ及び電流検出から除外した相のｉ_ｎＭと、減磁保護用の保護電流レベルとを比較して、相ごとにモータの過電流を検出することができる。

以下、図に沿って本発明の実施例を説明する。
まず、図１は、実施例１を示す構成図であり、請求項１，３に対応している。なお、この実施例１及び後述する実施例２は、三相の永久磁石モータの駆動システムを備えた電動車両に本発明を適用した場合のものである。

図１において、Ｍ_１は車両駆動用の三相の永久磁石モータであり、その固定子巻線の各一端は、半導体スイッチング素子Ｔ_１１〜Ｔ_１６からなる三相電圧形インバータＩＮＶの出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗにそれぞれ接続されている。モータＭ_１の固定子巻線の中性点Ｍ_ｍとインバータＩＮＶの直流母線の負極Ｎとの間には、鉛蓄電池やリチウムイオン電池等の二次電池からなる直流電源１が接続され、直流母線の正極Ｐと負極Ｎとの間にはエネルギー蓄積要素としてのキャパシタ２が接続されている。
モータＭ_１の出力軸３には、減速ギア、差動ギア等からなる差動装置４を介して左右の車輪５が連結されている。

１０Ａは制御装置であり、電圧検出手段１５により検出した直流母線（キャパシタ２）の電圧Ｅ_ｄｃと、電流検出手段１６Ａにより検出したモータＭ_１の全相（三相）の電流と、磁極位置検出手段１７により検出したモータＭ_１の磁極位置とが入力されている。
制御装置１０Ａにおいて、１１Ａはモータ・昇圧制御回路であり、モータＭ_１に発生させるトルク指令としての加速指令及び制動指令と、前記電圧Ｅ_ｄｃ、各相電流検出値並びに磁極位置に基づいて、後述の零相電圧指令値ｖ_ｚ ^＊を含んだ各相の出力電圧指令値ｖ_ｕ１ ^＊，ｖ_ｖ１ ^＊，ｖ_ｗ１ ^＊を生成し、モータＭ_１の速度及びトルクを所定値に制御すると共に、直流電源１の昇圧動作を制御するものである。なお、このモータ・昇圧制御回路１１Ａは、記憶機能を備えたマイクロプロセッサと、外部との間で信号を入出力するためのインターフェース回路とによって構成されている。

１２Ａは保護信号生成回路であり、各相電流検出値のうちの正相分電流を保護電流レベル設定回路１３からの保護電流レベルと比較し、正相分電流が保護電流レベルを上回った時に保護信号ｔｒｉｐを生成してＰＷＭ生成回路１４に出力する。
ここで、保護電流レベル設定回路１３は、インバータＩＮＶを構成する半導体スイッチング素子Ｔ_１１〜Ｔ_１６の電流耐量とモータＭ_１の電流耐量とに基づき、モータＭ_１の各相電流の許容値を保護電流レベルとして設定し、保護信号生成回路１２Ａに出力する。

ＰＷＭ生成回路１４は、前述した出力電圧指令値ｖ_ｕ１ ^＊，ｖ_ｖ１ ^＊，ｖ_ｗ１ ^＊に従ってＰＷＭ制御により所定のパルス幅のゲート信号ＧＴ_１１〜ＧＴ_１６を生成するためのもので、これらのゲート信号ＧＴ_１１〜ＧＴ_１６により半導体スイッチング素子Ｔ_１１〜Ｔ_１６をオン・オフ制御する。
また、ＰＷＭ生成回路１４は、保護信号生成回路１２Ａから保護信号ｔｒｉｐが入力されると、瞬時に上記ゲート信号ＧＴ_１１〜ＧＴ_１６を遮断してモータＭ_１、スイッチング素子Ｔ_１１〜Ｔ_１６等を保護する機能を備えている。なお、ＰＷＭ生成回路１４には、後述するごとくトリップ解除信号も入力されている。

次に、図２は図１の保護信号生成回路１２ＡにおけるＵ相分の回路を示している。なお、他のＶ相分、Ｗ相分についても同様の構成である。
図２において、１２１は抵抗、１２２〜１２６はオペアンプ、１２７，１２８は比較器であり、オペアンプ１２２〜１２５により、後述する数式７の演算を行ってモータＭ_１のＵ相に流れる正負の正相分電流ｉ_ｕＭを求めている。ここで、数式７は、前述した数式４に対応する。

上記の正相分電流ｉ_ｕＭは、比較器１２７において減磁保護用の保護電流レベルＩ_{ｔｒｉｐ Ｍ Ｌｅｖｅｌ}と比較され、正相分電流ｉ_ｕＭが保護電流レベルＩ_{ｔｒｉｐ Ｍ Ｌｅｖｅｌ}を上回ると保護信号ｔｒｉｐが出力される。
なお、正負のＵ相電流ｉ_ｕは、図２の比較器１２８においてスイッチング素子の過電流保護用の保護電流レベルＩ_{ｔｒｉｐ Ｉ Ｌｅｖｅｌ}と比較され、Ｕ相電流ｉ_ｕが保護電流レベルＩ_{ｔｒｉｐ Ｉ Ｌｅｖｅｌ}を上回った場合にも保護信号ｔｒｉｐが出力されるようになっている。ここで、オペアンプ１２６は負のＵ相電流ｉ_ｕを得るためのものである。
つまり、オペアンプ１２６、比較器１２８等は、Ｕ相のスイッチング素子Ｔ_１１，Ｔ_１４の過電流保護のために設けられている。
以上のようにして生成された保護信号ｔｒｉｐは、図１のＰＷＭ生成回路１４に入力される。

図３は、図１におけるＰＷＭ生成回路１４の構成図である。
このＰＷＭ生成回路１４は、各相電圧指令値ｖ_ｕ１ ^＊，ｖ_ｖ１ ^＊，ｖ_ｗ１ ^＊を比較器１４１〜１４３により三角波とそれぞれ比較してパルス幅変調し、非反転バッファ１４５及び反転バッファ１４６、並びにアンドゲート１４７を介して６個のゲート信号ＧＴ_１１〜ＧＴ_１６を生成する。なお、１４４はラッチ回路であり、保護信号ｔｒｉｐ及びトリップ解除信号を入力として前記アンドゲート１４７の制御信号を出力する。ラッチ回路１４４は、保護信号ｔｒｉｐがアクティブとなったときにゲート信号ＧＴ_１１〜ＧＴ_１６をオフさせる出力を生じ、この状態を、外部からトリップ解除信号が入力されるまで保持する機能を有している。

図４は、図１におけるモータ・昇圧制御回路１１Ａの構成図である。この制御回路１１Ａによる制御内容は、以下の二つに大別される。
まず、第１の制御内容は、入力された加速指令及び制動指令に基づいてモータ制御部１１１によりモータＭ_１の電流を制御してトルク制御を行うものであり、その具体的内容は周知であるため説明を省略する。
ここで、本実施例ではモータＭ_１の中性点Ｍ_ｍを利用して零相分電流を通流させるので、各相の電流検出値ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗには零相分電流が含まれている。そこで、電流演算部１１３により数式７〜数式９の演算を行って各相電流から零相分電流を除去した正相分電流検出値ｉ_ｕＭ，ｉ_ｖＭ，ｉ_ｗＭを求め、これらの電流検出値をモータ制御部１１１に入力して電流制御を行う。
なお、数式７〜数式９の演算は、前述した数式３、数式４に対応している。

次に、第２の制御内容である直流電源電圧の昇圧制御について説明する。
図４における昇圧制御部１１４は、インバータＩＮＶを２象限チョッパとして動作させることにより、モータＭ_１の中性点Ｍ_ｍに接続された直流電源１の電圧を昇圧し、インバータＩＮＶを介して直流母線の電圧Ｅ_ｄｃが目標値となるように制御するためのものである。

すなわち、図４において、目標とする直流母線電圧指令値Ｅ_ｄｃ ^＊と電圧検出手段１５による電圧検出値Ｅ_ｄｃとを減算手段１１５に入力してこれらの偏差を求め、この偏差を電圧調節手段（ＡＶＲ）１１６に入力する。そして、減算手段１１７が、電圧調節手段１１６の出力と、電流演算部１１３による下記数式１０の零相分電流ｉ_ｚとの偏差を求め、この偏差に基づいて電流調節手段（ＡＣＲ）１１８により零相電圧指令値ｖ_ｚ ^＊を演算する。

こうして求めた零相電圧指令値ｖ_ｚ ^＊を、加算手段１１２において、モータ制御部１１１からの各相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊にそれぞれ加算することにより、ＰＷＭ生成回路１４へ出力する各相電圧指令値ｖ_ｕ１ ^＊，ｖ_ｖ１ ^＊，ｖ_ｗ１ ^＊を得る。

以上のように、昇圧制御部１１４により得た零相電圧指令値ｖ_ｚ ^＊を含む電圧指令値ｖ_ｕ１ ^＊，ｖ_ｖ１ ^＊，ｖ_ｗ１ ^＊を用いてインバータＩＮＶを制御することにより、モータＭ_１の零相分電流を制御してその中性点Ｍ_ｍに接続された直流電源１とインバータＩＮＶの直流母線側との間でエネルギーを授受し、直流母線の電圧Ｅ_ｄｃを昇圧して電圧指令値Ｅ_ｄｃ ^＊に制御することができる。なお、この種の電力変換器の詳細な動作原理は、前述した特許文献２に開示されている。
本実施例では、直流電源１をモータＭ_１の中性点Ｍ_ｍと直流母線の負極Ｎとの間に接続した場合につき説明したが、直流電源１をモータＭ_１の中性点Ｍ_ｍと直流母線の正極Ｐとの間に接続しても同様の作用効果を得ることができる。

次いで、図５は本発明の実施例２の構成図であり、請求項２，３に対応している。
実施例１と異なる点は、モータＭ_１の相電流を検出する相を二相に削減する一方で、零相分電流を別途検出する手段を設けた点にある。
図５において、１６ＢはＵ相、Ｗ相の相電流を検出するための電流検出手段、１８は零相分電流を検出するための電流検出手段、１０Ｂは制御装置であり、前記電流検出手段１６Ｂ，１８による電流検出値が保護信号生成回路１２Ｂに入力されている。なお、１１Ｂはモータ・昇圧制御回路である。

本実施例ではＵ相、Ｗ相の相電流を検出しているので、これらの相電流検出値と零相分電流検出値とを用いることにより、Ｕ相、Ｗ相の正相分電流ｉ_ｕＭ，ｉ_ｗＭはそれぞれ数式１１，数式１２となる。

図６は保護信号生成回路１２ＢのＵ相分の回路を示しており、図２と同一機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。なお、保護信号生成回路１２Ｂには、このＵ相分と同一構成であるＷ相分の回路も設けられている。
一方、正相分電流は対称三相交流であるため数式１３が成立し、この数式１３により、相電流を検出していないＶ相の正相分電流ｉ_ｖＭを求める。

図７は、Ｖ相の正相分電流ｉ_ｖＭを求めるための回路であって保護信号生成回路１２Ｂ内に設けられており、１２９はオペアンプである。
ここで、実施例２における数式１１〜数式１３は、前述した数式７〜数式９に対応している。
以上のようにして求めたすべての相の正相分電流ｉ_ｕＭ，ｉ_ｖＭ，ｉ_ｗＭを図６と同様に保護電流レベルとそれぞれ比較することにより、相ごとに保護信号ｔｒｉｐを生成することができる。

図８は、図５におけるモータ・昇圧制御回路１１Ｂの構成図である。実施例１と異なる点は、ｕ相電流ｉ_ｕ、ｗ相電流ｉ_ｗ及び零相分電流ｉ_ｚを用いて前述の数式１１〜数式１３を演算する電流演算部１１９の機能であり、その他については実施例１の図４と同様である。

本発明は、永久磁石モータの減磁保護が必要な各種用途の駆動システムに適用可能であり、例えば、この駆動システムを搭載した電動車両や各種の搬送装置、荷役機械等に利用することができる。

１：直流電源
２：キャパシタ
３：出力軸
４：差動装置
５：車輪
１０Ａ，１０Ｂ：制御装置
１１Ａ，１１Ｂ：モータ・昇圧制御回路
１２Ａ，１２Ｂ：保護信号生成回路
１３：保護電流レベル設定回路
１４：ＰＷＭ生成回路
１５：電圧検出手段
１６Ａ，１６Ｂ，１８：電流検出手段
１７：磁極位置検出手段
１１１：モータ制御部
１１２：加算手段
１１３，１１９：電流演算部
１１４：昇圧制御部
１１５，１１７：減算手段
１１６：電圧調節手段
１１８：電流調節手段
１２１：抵抗
１２２〜１２６，１２９：オペアンプ
１２７，１２８，１４１〜１４３：比較器
１４４：ラッチ回路
１４５：非反転バッファ
１４６：反転バッファ
１４７：アンドゲート
Ｍ_１：永久磁石モータ
Ｍ_ｍ：中性点
ＩＮＶ：三相電圧形インバータ
Ｔ_１１〜Ｔ_１６：半導体スイッチング素子
Ｕ，Ｖ，Ｗ：出力端子
Ｐ：直流母線の正極
Ｎ：直流母線の負極

Claims (3)

1. 半導体スイッチング素子からなる電力変換器により永久磁石モータを駆動する駆動システムであって、前記電力変換器の直流母線の負極または正極と前記モータの固定子巻線の中性点との間に直流電源が接続され、前記電力変換器が前記モータの零相分電流を制御することにより前記直流電源の電圧を昇圧して前記直流母線側に供給可能とした駆動システムにおいて、
   前記モータの全相の相電流を検出する手段と、
   検出した全相の相電流から前記零相分電流を算出し、この零相分電流の各相の分担量を各相の相電流から減じて全相の正相分電流をそれぞれ算出する手段と、
   算出した全相の正相分電流のうち何れかの相の正相分電流が予め設定した保護電流レベルを超えたときに過電流と判断して前記モータに対する保護動作を実行する手段と、
   を備えたことを特徴とする永久磁石モータの駆動システム。
2. 半導体スイッチング素子からなる電力変換器によりｎ（ｎは２以上の自然数）相の永久磁石モータを駆動する駆動システムであって、前記電力変換器の直流母線の負極または正極と前記モータの固定子巻線の中性点との間に直流電源が接続され、前記電力変換器が前記モータの零相分電流を制御することにより前記直流電源の電圧を昇圧して前記直流母線側に供給可能とした駆動システムにおいて、
   前記モータの任意の一相を除いた（ｎ−１）相の相電流を検出する手段と、
   前記零相分電流を検出する手段と、
   前記零相分電流のｎ相各相の分担量を、（ｎ−１）相各相の相電流から減じて（ｎ−１）相の正相分電流をそれぞれ算出する手段と、
   （ｎ−１）相の正相分電流を用いて前記任意の一相の正相分電流を算出する手段と、
   算出した全相の正相分電流のうち何れかの相の正相分電流が予め設定した保護電流レベルを超えたときに過電流と判断して前記モータに対する保護動作を実行する手段と、
   を備えたことを特徴とする永久磁石モータの駆動システム。
3. 請求項１または２に記載した永久磁石モータの駆動システムを搭載したことを特徴とする電動車両。
   

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