JP2011125161A

JP2011125161A - 電動機駆動制御装置

Info

Publication number: JP2011125161A
Application number: JP2009281934A
Authority: JP
Inventors: Hajime Kosugi; 肇小杉; Natsuki Nozawa; 奈津樹野澤; Etsuji Taguchi; 悦司田口
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-12-11
Filing date: 2009-12-11
Publication date: 2011-06-23

Abstract

【課題】インバータを矩形波制御する際に、インバータのスイッチング素子の温度をより精度良く推定する。
【解決手段】インバータ２２を矩形波制御する際に、モータ１１の回転数Ｎｍが大きいほど大きくなる傾向にインバータのスイッチング周波数ｆｓを推定する。そして、インバータ２２の出力電流としてのモータ１１に流れるｄ軸電流Ｉｄ，ｑ軸電流Ｉｑの実効値Ｉｒｍｓ（ｄ軸電流Ｉｄの二乗値とｑ軸電流Ｉｑの二乗値との和の平方根）と検出された印加電圧Ｖと推定されたスイッチング周波数ｆｓとに基づいてインバータ２２を冷却する冷却媒体の冷媒温度Ｔｗに対するトランジスタＴ１〜Ｔ６の温度上昇量ΔＴを導出・設定し、検出された冷媒温度Ｔｗと導出された温度上昇量ΔＴとの和をトランジスタＴ１〜Ｔ６の推定温度Ｔｅｓとして導出する。
【選択図】図３

Description

本発明は、直流電源からの電力を用いて電動機を駆動制御する電動機駆動制御装置に関する。

従来、この種の電動機駆動制御装置としては、運転周波数信号とキャリア周波数信号に基づき駆動パルスを生成する制御部と、生成された駆動パルスに基づいてスイッチング回路をオンオフ制御することにより直流電力を可変周波数、可変電圧の交流電力に変換して電動機を可変制御する駆動回路とを備え、キャリア周波数と駆動回路の出力電流とに基づいてスイッチング回路の半導体素子の定常損失やスイッチング損失を算出し、算出した損失や半導体素子の過渡熱抵抗から半導体素子の温度変化量を算出するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、従来、この種の電動機駆動制御装置として、モータを駆動するインバータと、インバータをＰＷＭ制御する制御部とを備え、インバータの出力電流、制御率、周波数を変数とするスイッチング素子の定常オン損失、スイッチング損失、過渡熱インピーダンスなどの特性データに基づいてスイッチング素子の温度上昇量を算出するものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

国際公開第２００４／０８２１１４号特許第３４３０７７３号公報

ここで、駆動回路（インバータ）を正弦波ＰＷＭ制御する場合には、上述の特許文献１に記載の電動機駆動制御装置のように、搬送波のキャリア周波数に基づいて半導体素子の損失を算出することで、半導体素子（スイッチング素子）の温度を推定することができる。しかしながら、駆動回路を矩形波制御する場合には搬送波自体が存在しないため、半導体素子の温度を推定するためには、何らかの対策を講じる必要がある。

本発明の電動機駆動制御装置は、インバータを矩形波制御する際に、インバータのスイッチング素子の温度をより精度良く推定することを主目的とする。

本発明の電動機駆動制御装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の電動機駆動制御装置は、直流電源からの電力を用いて電動機を駆動制御する電動機駆動制御装置において、
複数のスイッチング素子を有すると共に前記直流電源と前記電動機との間に介設されるインバータと、
前記電動機の回転数を検出する回転数検出手段と、
前記インバータの出力電流を取得する出力電流取得手段と、
前記インバータに印加される電圧である印加電圧を検出する印加電圧検出手段と、
前記インバータを冷却する冷却媒体の温度を検出する冷媒温度検出手段と、
矩形波電圧により前記電動機を駆動するよう前記インバータを矩形波制御する制御手段と、
前記検出された前記電動機の回転数が大きいほど大きくなる傾向に前記インバータのスイッチング周波数を推定するスイッチング周波数推定手段と、
前記出力電流と前記印加電圧と前記スイッチング周波数と前記冷却媒体の温度に対する前記スイッチング素子の温度上昇量との関係を規定するよう予め定められた制約から前記取得された出力電流と前記検出された印加電圧と前記推定されたスイッチング周波数とに対応した温度上昇量を導出する温度上昇量導出手段と、
前記検出された冷却媒体の温度と前記導出された温度上昇量との和を前記スイッチング素子の温度の推定値として導出する素子温度推定手段と、
を備えることを要旨とする。

本発明の電動機駆動制御装置では、矩形波電圧により電動機を駆動するようインバータを矩形波制御する際に、電動機の回転数が大きいほど大きくなる傾向にインバータのスイッチング周波数を推定する。そして、インバータの出力電流と印加電圧とスイッチング周波数とインバータを冷却する冷却媒体の温度に対するスイッチング素子の温度上昇量との関係を規定するよう予め定められた制約から取得された出力電流と検出された印加電圧と推定されたスイッチング周波数とに対応した温度上昇量を導出し、検出された冷却媒体の温度と導出された温度上昇量との和をスイッチング素子の温度の推定値として導出する。すなわち、インバータを矩形波制御する場合には、インバータのスイッチング周波数が電動機の回転数に概ね比例することから、電動機の回転数に基づいて正弦波ＰＷＭ制御におけるキャリア周波数に相当するインバータのスイッチング周波数を精度良く推定することができる。従って、インバータの出力電流や印加電圧と共に精度良く推定されたスイッチング周波数を用いることにより、インバータを矩形波制御する際にスイッチング素子の温度をより精度良く推定することが可能となる。

本発明の実施例に係る電動機駆動制御装置を備えた駆動装置１０の概略構成図である。インバータ２２を矩形波制御する際のモータ１１に流れる相電流とインバータ２２の上アームと下アームとの時間変化の様子の一例を示す説明図である。スイッチング周波数設定用マップの一例を示す説明図である。（ａ）は、インバータ２２の出力電流と印加電圧Ｖと温度上昇量ΔＴとの関係を例示する説明図であり、（ｂ）は、インバータ２２の出力電流とスイッチング周波数ｆｓと温度上昇量ΔＴとの関係を例示する説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の実施例に係る電動機駆動制御装置を備えた駆動装置１０の概略構成図である。実施例の駆動装置１０は、ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両に動力発生源として搭載されるものであり、図示するように、発電機として作動すると共に電動機として作動可能な周知の同期発電電動機であるモータ１１と、モータ１１と電力のやり取りが可能な例えばリチウムイオン二次電池あるいはニッケル水素二次電池であるバッテリ１２と、モータ１１とバッテリ１２との間に介設されたインバータ２２と、インバータ２２の６つのスイッチング素子としてのトランジスタＴ１〜Ｔ６をスイッチング制御する電子制御ユニット３０とを備える。

インバータ２２は、バッテリ１２からの電力ラインに対してソース側とシンク側になるよう２個ずつペアで配置された６つのトランジスタＴ１〜Ｔ６と、この６つのトランジスタＴ１〜Ｔ６に逆方向に並列するよう接続された６つのダイオードＤ１〜Ｄ６とを有している。また、対となるトランジスタＴ１〜Ｔ６同士の接続点の各々にはモータ１１の三相コイル（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の各々が接続されている。従って、電力ライン間に電圧が作用している状態で対をなすトランジスタＴ１〜Ｔ６のオン時間の割合を制御することにより三相コイルに回転磁界を形成でき、モータ１１を回転駆動することができる。なお、以下の説明では、トランジスタＴ１〜Ｔ３をまとめて「上アーム」、トランジスタＴ４〜Ｔ６をまとめて「下アーム」と称することがある。

電子制御ユニット３０は、ＣＰＵ３２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ３２の他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ３４と、データを一時的に記憶するＲＡＭ３６と、図示しない入出力ポートとを備える。電子制御ユニット３０には、モータ１１の回転軸に取り付けられた回転位置検出センサ１４からの回転信号やモータ１１の三相コイルのＶ相，Ｗ相に流れる相電流を検出する電流センサ１５Ｖ，１５Ｗからの相電流Ｉｖ，Ｉｗ、インバータ２２に印加される電圧を検出する電圧センサ１６からの印加電圧Ｖ、インバータ２２を冷却する冷却媒体の温度を検出する冷媒温度センサ１７からの冷媒温度Ｔｗなどが入力ポートを介して入力されており、電子制御ユニット３０からはインバータ２２の６つのトランジスタＴ１〜Ｔ６へのスイッチング制御信号が出力ポートを介して出力されている。また、電子制御ユニット３０は、回転位置検出センサ１４からの回転信号に基づいてモータ１１の回転数Ｎｍを演算すると共に、電流センサ１５Ｖ，１５Ｗにより検出された相電流Ｉｖ，Ｉｗを座標変換してモータ１１のｄ軸，ｑ軸に流れるｄ軸電流Ｉｄ，ｑ軸電流Ｉｑを演算している。ここで、ｄ軸はモータ１１のロータに埋め込まれた永久磁石により形成される磁束の方向に延びる軸であり、ｑ軸はｄ軸に対してモータ１１を正回転させる方向に電気角をπ／２だけ進角させた方向に延びる軸である。

実施例の電動機駆動制御装置を備えた駆動装置１０において、電子制御ユニット３０は、モータ１１から出力すべきトルク指令Ｔｍ＊を設定し、設定したトルク指令Ｔｍ＊に従ってモータ１１が駆動されるようにインバータ２２のスイッチング制御を行なう。ここで、実施例の電子制御ユニット３０は、モータ１１のトルク指令Ｔｍ＊と回転数Ｎｍとに応じて、正弦波ＰＷＭ電圧を用いる正弦波ＰＷＭ制御方式、過変調ＰＷＭ電圧を用いる過変調ＰＷＭ制御方式および矩形波電圧を用いる矩形波制御方式という３つの制御方式の何れかによりインバータ２２をスイッチング制御する。正弦波ＰＷＭ制御方式は、一般に「ＰＷＭ制御」と称されるものであり、正弦波状の電圧指令値と三角波等の搬送波との電圧差に応じてトランジスタＴ１〜Ｔ６をオン／オフ制御することにより、正弦波状の基本波成分をもった出力電圧（ＰＷＭ電圧）を得る方式である。正弦波ＰＷＭ制御方式を用いた場合、インバータ２２に印加される印加電圧Ｖに対する出力電圧（基本波成分の振幅）の割合である変調率をおおよそ値０〜値０．６１の範囲内に設定することができる。また、過変調ＰＷＭ制御方式は、搬送波の振幅を縮小するようにを歪ませた上で上述の正弦波ＰＷＭ制御方式と同様の制御を行なうものであり、変調率をおおよそ値０．６１〜０．７８の範囲内に設定可能とするものである。更に、矩形波制御方式は、理論上、最大の振幅をもった基本波成分を発生させることができるものであって、振幅一定の矩形電圧の位相をトルク指令に応じて変化させることでモータトルクを制御可能とするものである。この矩形波制御方式を用いた場合、変調率は一定値（おおよそ値０．７８）となる。

次に、上述のように構成された駆動装置１０において、インバータ２２を矩形波制御する際にトランジスタＴ１〜Ｔ６の温度を推定する方法について説明する。実施例の電子制御ユニット３０は、所定時間毎（例えば８ｍｓｅｃ毎）に以下の手順に従ってトランジスタＴ１〜Ｔ６の推定温度Ｔｅｓを演算する。

トランジスタＴ１〜Ｔ６の推定温度Ｔｅｓの演算に際して、電子制御ユニット３０は、まず、モータ１１の回転数Ｎｍに基づいてインバータ２２のトランジスタＴ１〜Ｔ６のスイッチング周波数ｆｓを推定する。ここで、図２は、インバータ２２を矩形波制御する際のモータ１１に流れる相電流とインバータ２２の上アームと下アームとの時間変化の様子の一例を示す説明図である。図示するように、インバータ２２を矩形波制御する際には、インバータ２２の各トランジスタのスイッチング周波数ｆｓはモータ１１の相電流の周波数と概ね一致し、相電流の周波数は、モータ１１の回転数Ｎｍに概ね比例する。従って、スイッチング周波数ｆｓもモータ１１の回転数Ｎｍに概ね比例することになり、実施例では、このようなモータ１１の回転数Ｎｍとインバータ２２のスイッチング周波数ｆｓとの関係に基づいてスイッチング周波数設定用マップを予め定めてＲＯＭ３４に記憶している。そして、実施例では、回転位置検出センサ１４からの回転信号に基づいて演算されたモータ１１の回転数Ｎｍに対応したスイッチング周波数ｆｓが当該マップから導出・設定される。図３にスイッチング周波数設定用マップの一例を示す。図示するように、スイッチング周波数設定用マップは、モータ１１の回転数Ｎｍが大きいほどスイッチング周波数ｆｓを大きな値に規定するものとなる。

続いて、電子制御ユニット３０は、冷媒温度センサ１７により検出された冷媒温度Ｔｗに基づいてトランジスタＴ１〜Ｔ６の推定温度Ｔｅｓを次式（１）に従って演算する。式（１）中の“ΔＴ”は、冷媒温度Ｔｗに対するトランジスタＴ１〜Ｔ６の温度上昇量であり、インバータ２２の出力電流と印加電圧Ｖとスイッチング周波数ｆｓとに基づいて設定される。ここで、図４（ａ）にインバータ２２の出力電流と印加電圧Ｖと温度上昇量ΔＴとの関係の一例を示し、図４（ｂ）にインバータ２２の出力電流とスイッチング周波数ｆｓと温度上昇量ΔＴとの関係の一例を示す。図示するように、温度上昇量ΔＴは、インバータ２２の出力電流や印加電圧Ｖ、スイッチング周波数ｆｓが大きくなるほど大きくなる傾向を有する。そのため、実施例では、インバータ２２の出力電流としてのモータ１１に流れるｄ軸電流Ｉｄ，ｑ軸電流Ｉｑの実効値Ｉｒｍｓ（ｄ軸電流Ｉｄの二乗値とｑ軸電流Ｉｑの二乗値との和の平方根）とインバータ２２に印加される印加電圧Ｖとインバータ２２のスイッチング周波数ｆｓと温度上昇量ΔＴとの関係が予め定められて図示しない温度上昇量設定用マップとしてＲＯＭ３４に記憶されており、電流センサ１５Ｖ，１５Ｗからの相電流Ｉｖ，Ｉｗに基づいて演算された実効値Ｉｒｍｓと電圧センサ１６により検出された印加電圧Ｖとモータ１１の回転数Ｎｍに基づいてスイッチング周波数設定用マップから導出されたスイッチング周波数ｆｓとに対応した温度上昇量ΔＴが当該マップから導出・設定される。温度上昇量設定用マップは、図４（ａ）および（ｂ）に示す関係に基づいて、基本的に出力電流、印加電圧Ｖ、スイッチング周波数ｆｓが大きいほど温度上昇量ΔＴを大きな値に規定するものとして作成される。

Ｔｅｓ＝Ｔｗ＋ΔＴ・・・（１）

このようにトランジスタＴ１〜Ｔ６の推定温度Ｔｅｓを演算した電子制御ユニット３０は、推定温度Ｔｅｓに基づいてトランジスタＴ１〜Ｔ６の故障の有無を判定する。また、電子制御ユニット３０は、推定温度Ｔｅｓが所定温度以上であるときには、インバータ２２の出力電流や印加電圧Ｖ、スイッチング周波数ｆｓを制限するといったフェールセーフを実行することで、トランジスタＴ１〜Ｔ６の過剰な発熱を抑制して故障を未然に防止している。

以上説明した実施例の電動機駆動制御装置を備える駆動装置１０では、矩形波電圧によりモータ１１を駆動するようインバータ２２を矩形波制御する際に、モータ１１の回転数Ｎｍが大きいほど大きくなる傾向にインバータ２２のスイッチング周波数ｆｓを推定する。そして、インバータ２２の出力電流としてのモータ１１に流れるｄ軸電流Ｉｄ，ｑ軸電流Ｉｑの実効値Ｉｒｍｓとインバータ２２の印加電圧Ｖとスイッチング周波数ｆｓとインバータ２２を冷却する冷却媒体の冷媒温度Ｔｗに対するトランジスタＴ１〜Ｔ６（スイッチング素子）の温度上昇量ΔＴとの関係を規定するよう予め定められた温度上昇量設定用マップから演算された実効値Ｉｒｍｓと検出された印加電圧Ｖと推定されたスイッチング周波数ｆｓとに対応した温度上昇量ΔＴを導出し、検出された冷却媒体の冷媒温度Ｔｗと導出された温度上昇量ΔＴとの和をトランジスタＴ１〜Ｔ６の推定温度Ｔｅｓとして導出する。すなわち、インバータ２２を矩形波制御する場合には、インバータ２２のスイッチング周波数ｆｓがモータ１１の回転数Ｎｍに概ね比例することから、モータ１１の回転数Ｎｍに基づいて正弦波ＰＷＭ制御におけるキャリア周波数に相当するインバータ２２のスイッチング周波数ｆｓを精度良く推定することができる。従って、インバータ２２の出力電流や印加電圧Ｖと共に精度良く推定されたスイッチング周波数ｆｓを用いることにより、インバータ２２を矩形波制御する際にトランジスタＴ１〜Ｔ６の温度をより精度良く推定することが可能となる。

なお、本実施例では、電流センサ１５Ｖ，１５Ｗにより検出された相電流Ｉｖ，Ｉｗに基づいて演算されたｑ軸電流Ｉｑ，ｄ軸電流Ｉｄの実効値Ｉｒｍｓを用いて温度上昇量ΔＴを導出・設定するものとしたが、検出された相電流Ｉｖ，Ｉｗそのものを用いて温度上昇量ΔＴを導出・設定するものとしてもよい。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、直流電源からの電力を用いて電動機を駆動制御する電動機駆動制御装置の製造産業等に利用可能である。

１０駆動装置、１１モータ、１２バッテリ、１４回転位置検出センサ、１５Ｖ，１５Ｗ電流センサ、１６電圧センサ、１７冷媒温度センサ、２２インバータ、３０電子制御ユニット、３２ＣＰＵ、３４ＲＯＭ、３６ＲＡＭ、Ｔ１〜Ｔ６トランジスタ、Ｄ１〜Ｄ６ダイオード。

Claims

直流電源からの電力を用いて電動機を駆動制御する電動機駆動制御装置において、
複数のスイッチング素子を有すると共に前記直流電源と前記電動機との間に介設されるインバータと、
前記電動機の回転数を検出する回転数検出手段と、
前記インバータの出力電流を取得する出力電流取得手段と、
前記インバータに印加される電圧である印加電圧を検出する印加電圧検出手段と、
前記インバータを冷却する冷却媒体の温度を検出する冷媒温度検出手段と、
矩形波電圧により前記電動機を駆動するよう前記インバータを矩形波制御する制御手段と、
前記検出された前記電動機の回転数が大きいほど大きくなる傾向に前記インバータのスイッチング周波数を推定するスイッチング周波数推定手段と、
前記出力電流と前記印加電圧と前記スイッチング周波数と前記冷却媒体の温度に対する前記スイッチング素子の温度上昇量との関係を規定するよう予め定められた制約から前記取得された出力電流と前記検出された印加電圧と前記推定されたスイッチング周波数とに対応した温度上昇量を導出する温度上昇量導出手段と、
前記検出された冷却媒体の温度と前記導出された温度上昇量との和を前記スイッチング素子の温度の推定値として導出する素子温度推定手段と、
を備えた電動機駆動制御装置。