JP2012239247A

JP2012239247A - モータ制御装置

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Publication number: JP2012239247A
Application number: JP2011104836A
Authority: JP
Inventors: Takashi Ogura; 敬史小倉; Satoru Shigeta; 哲重田
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2011-05-10
Filing date: 2011-05-10
Publication date: 2012-12-06

Abstract

【課題】本発明の課題は、高い信頼性の基でモータの相短絡を検出することである。
【解決手段】直流電流を複数相の交流電流に変換し、かつ固定子巻線を有するモータに当該交流電流を出力するインバータ回路部と、前記モータに出力される前記交流電流を検出する電流センサと、前記電流センサにより検出された電流値を用いて前記インバータ回路部の駆動を制御する駆動制御部と、前記電流センサにより検出された電流値を取得し、当該電流値の単位時間当たりの変化率を検出する第１変化率検出器と、前記第１変化率検出器の検出結果を取得し、前記電流値の単位時間当たりの変化率が所定値以上であるか否かを判定する第１判定器と、を備え、前記第１判定器の判定結果に基づいて前記モータの前記固定子巻線の短絡を検出することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体スイッチング素子による電力変換装置を用いたモータ駆動装置の保護に関する。

モータは巻き線で構成されるためインダクタンス成分が大きい。よってＰＷＭ制御によって矩形波状の電圧をモータに印加しても電流の変化は電圧の変化に比べ緩やかである。
しかしモータ短絡が発生するとモータ巻き線によるインダクタンス成分がなくなるので、電圧の変化に対して電流は急激に変化する。

例えば、高電圧側が４００Ｖでモータ巻き線のインダクタンスを２００ｕＨとすると、通常時では電圧が印加された当初は約２Ａ／ｕｓで電流が上昇するが、モータ短絡が発生した時にはインダクタンス成分がなくなるので約２００Ａ／ｕｓで電流が上昇することになる。

このようにモータ短絡が発生すると短い期間で大電流が流れることになり、スイッチング素子等が破壊される恐れがある。これらを防ぐためには素早いモータ短絡検出手段と保護手段が必要となる。

特許文献１には、負荷電流の増減を容易に検出できるインバータの電流変化検出装置について記載されている。

しかしながら、モータの相短絡のような急峻な電流変化を検出し、機器の定格を越える前に保護制御を行う場合には、モータ制御装置の更なる信頼性の向上が求められている。

従来、過電流によるスイッチング素子の破壊には過電流検出器による保護が行われている。しかし、モータ短絡のような急激に電流が増加するような場合では過電流と判定してから保護動作を行っていては保護が間に合わないことがある。この問題を解決するために、本発明は素早いモータ短絡検出手段と保護手段を提供する。

特開平７−２６４８６９号公報

本発明の課題は、高い信頼性の基でモータの相短絡を検出することである。

本発明によりモータ制御装置は、直流電流を複数相の交流電流に変換し、かつ固定子巻線を有するモータに当該交流電流を出力するインバータ回路部と、前記モータに出力される前記交流電流を検出する電流センサと、前記電流センサにより検出された電流値を用いて前記インバータ回路部の駆動を制御する駆動制御部と、前記電流センサにより検出された電流値を取得し、当該電流値の単位時間当たりの変化率を検出する第１変化率検出器と、前記第１変化率検出器の検出結果を取得し、前記電流値の単位時間当たりの変化率が所定値以上であるか否かを判定する第１判定器と、を備え、前記第１判定器の判定結果に基づいて前記モータの前記固定子巻線の短絡を検出することを特徴とする。

本発明により、モータの相短絡を高い信頼性の基で検出することができる。

本実施形態に係るハイブリッド自動車用モータ駆動装置の回路図である。本実施形態に係るモータ短絡検出部１０７のＵ相分の回路図である。本実施形態に係るモータ駆動制御部１０５の構成例１を示す図である。モータ駆動制御部１０５のロジック回路の他の実施形態を示す図である。

以下、実施例について図面を用いて説明する。

図１はハイブリッド自動車用モータ駆動装置の回路図を示し、１０１は直流電源、１０２は平滑コンデンサ、１１０と１１１はＹキャパシタ、１０３はインバータ部、１０４はモータ、１０５はモータ駆動制御部、１０６はゲート駆動部となっている。直流電源１０１と並列に平滑コンデンサ１０２が接続される。直流電圧をモータ駆動制御部１０５の制御信号に応じてゲート駆動部１０６がインバータ部１０３をスイッチングし交流電圧に変換し、モータ１０４を駆動制御する。

インバータ部１０３は直流電源１０１からの直流電圧が入力され、モータ駆動制御部１０５の信号に従いＰＷＭ（パルス変調：Pulse Width Modulation）制御を行い、直流電圧を任意の３相交流に変換する。このインバータ部１０３は半導体によるスイッチング素子３ａ〜３ｆを３相フルブリッジ接続で構成される。本実施形態のスイッチング素子にはＩＧＢＴと還流用ダイオードが搭載されたものを用いる。

インバータ部１０３とモータ１０４の間に流れる各相の電流は、電流センサ１０８によって電流値に比例した電圧出力としてモータ短絡検出部１０７へ出力される。

図２にモータ短絡検出部１０７のＵ相分の回路図を示す。電流センサ１０８の出力を微分器２０１及び微分器２１１に入力し、その各々の出力を判定器２０２と判定器２１２で判定することでモータ短絡等による急激な電流変化を検出する。微分器２０１と微分器２１１の出力電圧は電流の時間当たりの変化量であるため、電流の増減を検出することが可能である。この微分器２０１と微分器２１１の出力に対して、通常時のモータ駆動電流変化レベルではモータ短絡検出信号を出力せず、モータ短絡等による電流の急激な変化が起きたときにはモータ短絡検出信号を出力する判定器を設ける。

ハイブリッド自動車においてモータを駆動する時、インバータ部１０３の３相交流電流出力はアクセルペダル等の情報を元にした上位コントローラからのトルク指令によって決定され、０から数百Ａｒｍｓとなる。例えば、波高値５００Ａの３相交流電流をインバータ部１０３が出力しているとき、５００Ａ／Ｖレンジ，測定レンジ範囲−１０００Ａ〜１０００Ａ，電流センサ出力０.５Ｖ〜４.５Ｖの仕様の電流センサの出力は、２.５Ｖを中心に最小値１.５Ｖ，最大値３.５Ｖを取る正弦波の波形となる。本実施例の電流センサ１０８は１相につき１つの電流センサを取り付けてある。

本実施例ではモータの相短絡が検出可能である。例えば、スイッチング素子３ａ，３ｆをＯＮし、残りをＯＦＦしているときにモータのＵ相とＶ相が短絡した場合、Ｕ相はインバータ部１０３からモータ１０４へ急激に電流が流れるためＵ相電流センサ出力は急上昇する。一方、Ｖ相はモータ１０４からインバータ部１０３へ急激に電流が流れるため、Ｖ相電流センサの出力は急下降する。Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の３相分のモータ短絡検出器を備えている場合、Ｕ相電流センサ出力を入力とするモータ短絡検出器は判定器２０２からモータ短絡検出信号が出力され、Ｖ相電流センサ出力を入力とするモータ短絡検出器は判定器２１２からモータ短絡検出信号が出力されることになる。

本実施例ではモータのＧＮＤ短絡が検出可能である。例えば、スイッチング素子３ａ，３ｆがＯＮ、残りをＯＦＦしているときにＶ相がモータ側でＧＮＤ短絡した場合、Ｙキャパシタ１１１に充電されている電荷がＧＮＤ短絡地点からスイッチング素子３ｆを経由してインバータ部１０３のマイナス電源ラインに急激に流れ、Ｖ相電流センサの出力は急降下する。Ｖ相電流センサの出力が急降下すると、Ｖ相電流センサ出力を入力とするモータ短絡検出器の判定器２１２からモータ短絡検出信号が出力される。

また、スイッチング素子３ｃ，３ｄがＯＮ、残りがＯＦＦしているときにＶ相がモータ側でＧＮＤ短絡した場合、Ｙキャパシタ１１０に充電されている電荷がインバータ部１０３のプラス電源ラインからスイッチング素子３ｃを経由してＧＮＤ短絡地点に急激に流れ、Ｖ相電流センサの出力は急上昇する。Ｖ相電流センサの出力が急上昇すると、Ｖ相電流センサ出力を入力とするモータ短絡検出器の判定器２０２からモータ短絡検出信号が出力される。

このモータ短絡検出部１０７はソフトウェアで構成しても良いが、モータ短絡では急激に電流が増減するため、ソフトウェアの処理時間の影響で保護動作が間に合わない場合がある。そこで、本実施例ではアナログ回路でモータ短絡検出部１０７を構成する。微分器はコンデンサと抵抗器で構成し、判定器にはコンパレータを用いる。コンパレータの閾値は抵抗分圧によって設定する。

電流が急激に変化すると電流センサの出力電圧が急激に変化する。例えば本実施例では、モータ短絡により電流が２００Ａ／ｕｓで上昇すると、０.４Ｖ／ｕｓで電流センサ出力が上昇する。スイッチング素子３ａ〜３ｆの定格から許容される短絡電流と通電時間を考慮し、電流センサ１０８，モータ短絡検出部１０７，モータ駆動制御部１０５，ゲート駆動部１０６の応答速度を加味し、スイッチング素子３ａ〜３ｆが破壊される前に保護動作が完了するようにモータ短絡検出部１０７を構成する。例えば、スイッチング素子３ａ〜３ｆの許容される短絡電流通電可能時間が２５ｕｓ、電流センサ１０８の応答速度が５ｕｓ、モータ短絡検出部１０７の応答速度が５ｕｓ、モータ駆動制御部１０５の応答速度が５ｕｓ、ゲート駆動部１０６の応答速度が５ｕｓだとすると、５ｕｓ未満でモータ短絡を検出するようにモータ短絡検出部１０７のアナログ回路を構成する。例えば、モータ短絡により電流が２００Ａ／ｕｓで上昇する場合では、微分器２０１のコンデンサを２２０ｎＦ、抵抗を１０００Ωとすると、３ｕｓで約１.２Ｖの電圧が判定器２０２に入力されるので、コンパレータのマイナス入力端子電圧を１.２Ｖとなるように接続する抵抗を構成する。

また、通常のモータ駆動時の電流変化では微分器２０１の出力がコンパレータの閾値に達することがないようにモータ短絡検出部１０７を構成する。例えば、本実施例の構成は直流電源１０１が４００Ｖで、ＯＮ時間１００ｕｓのパルス波をモータ１０４へ入力しても、微分器２０１への入力電圧は約０.８Ｖまでしか電圧が上昇しないため、通常のモータ制御を阻害することはない。

モータ短絡により電流が急激に低下することも考えられるので、モータ短絡検出部１０７は微分器２１１と判定器２１２を備える。例えば、微分器２１１のコンデンサを２２０ｎＦ、抵抗を１０００Ω、抵抗をプルアップする電源を５Ｖとすると、−２００Ａ／ｕｓで電流が減少した場合、３ｕｓで判定器２１２への入力電圧が５Ｖから約４.３Ｖまで減少するので、判定器２のプラス入力端子電圧を４.３Ｖとなるように抵抗を構成する。これによりモータ短絡による急激な電流減少も検出できる。

判定器２０２と判定器２１２はモータ短絡等の急激な電流変化を検出するとモータ短絡検出信号を出力する。このモータ短絡検出器を３相分備えることで、どの相が短絡しても短絡検出することが可能となる。

図３にモータ駆動制御部１０５の構成例１を示す。モータ短絡検出信号は上位コントローラであるモータ制御マイコン３１０からのＰＷＭ信号が入力されるバッファ３０１に入力される。モータ短絡検出部１０７からモータ短絡検出信号が出力されると、バッファ３０１の出力はハイインピーダンスとなり、スイッチング素子３ａ〜３ｆ全てをＯＦＦする信号をモータ駆動制御部１０５からゲート駆動部１０６へ出力する。モータ短絡の場合、モータに電流を流すような保護制御は危険であるためスイッチング素子３ａ〜３ｆ全てをＯＦＦする制御を行う。

図４は、モータ駆動制御部１０５のロジック回路の他の実施形態を示す。本実施形態では、モータ駆動制御部１０５よりも上位のコントローラに設けられたメインマイコン（不図示）と、モータ駆動制御部１０５に設けられたモータ制御マイコン２０６とがある。モータ駆動制御部１０５は、通常、モータ制御マイコンによって制御される。モータ制御マイコンは、モータに任意のトルクや回転数を与えるために、インバータ部１０３の半導体スイッチング素子の適切なスイッチング時間を演算し、ＰＷＭ制御を行う。その結果、モータ１０４の各相には交流電圧及び電流が印加され、駆動制御される。

モータ制御マイコン２０６の異常はモータ１０４の異常動作やＩＧＢＴの破壊を招く可能性があるため、メインマイコンは、モータ制御マイコン２０６の異常を検知した際にメインマイコンから３相オープンもしくは３相ショートの信号を送り車両の安全を確保する。例えば、メインマイコンとモータ制御マイコン２０６間でＳＰＩ（Serial Peripheral nterface）通信を行い、メインマイコンからモータ制御マイコン２０６への演算指令に対する回答（例えば、「１＋１」という演算指令に対する回答）の整合性を確認することで、モータ制御マイコン２０６の異常を検知する。

モータ制御マイコン２０６とゲート駆動部１０６との間のスイッチング制御信号のライン上には、保護回路として機能するバッファ２２１，２２２ａ，２２２ｂ，２２３が設けられている。バッファ２２１，２２３は、上下アームを構成する半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆのスイッチング制御信号ライン上の全てに設けられている。バッファ２２２ａは、上アームを構成する半導体スイッチング素子３ａ，３ｂ，３ｃのスイッチング制御信号ライン上に設けられている。バッファ２２２ｂは、下アームを構成する半導体スイッチング素子３ｄ，３ｅ，３ｆのスイッチング制御信号ライン上に設けられている。

モータ制御マイコン２０６から出力された各半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆに関するスイッチング制御信号は、これらのバッファ２２１，２２２ａ，２２２ｂ，２２３を介してゲート駆動部１０６に入力される。バッファ２２１，２２２ａ，２２２ｂ，２２３は３ステートバッファであって、３相オープン信号や３相ショート信号等がバッファの状態を変更する制御信号（以下では、トリガ信号と称する）として入力される。

トリガ信号が入力されない場合には、バッファ２２１，２２２ａ，２２２ｂ，２２３は導通状態であって、各バッファ２２１，２２２ａ，２２２ｂ，２２３に入力された信号をそのまま出力する。一方、トリガ信号が入力されると、各バッファ２２１，２２２ａ，２２２ｂ，２２３は遮断状態（ハイインピーダンス状態）となる。バッファ２２１が遮断状態となると、バッファ２２１の出力側（すなわち、バッファ２２２ａ，２２２ｂの入力側）はＨｉｇｈ状態にプルアップされる。バッファ２２２ａ，２２２ｂが遮断状態となると、バッファ２２２ａ，２２２ｂの出力側（すなわち、バッファ２２３の入力側）はＬｏｗ状態にプルダウンされる。バッファ２２３が遮断状態となると、バッファ２２３の出力側（すなわち、ゲート駆動部１０６の入力側）はハイインピーダンス状態となり、ゲート駆動部１０６内のフォトカプラは非導通となるためスイッチング素子３ａ〜３ｆはＯＦＦとなる（バッファ２２３の出力がＨｉｇｈ信号のときもフォトカプラは非導通となるためスイッチング素子３ａ〜３ｆはＯＦＦとなる。）。

ゲート駆動部１０６はＬｏｗ信号が入力されると半導体スイッチング素子をＯＮ（導通状態）し、逆に、Ｈｉｇｈ信号が入力されると半導体スイッチング素子をＯＦＦ（遮断状態）する。本実施形態では、異常時の保護動作として、バッファ２２１，２２２ａ，２２２ｂ，２２３の内の特定のバッファ出力を遮断することによって、半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆを全てＯＦＦにする３相オープン動作や、上アーム３ａ〜３ｃまたは下アーム（３ｄ〜３ｆ）のみをＯＮにして他をＯＦＦする３相ショート（上アーム３相ショート，下アーム３相ショート）動作を行う。

３相オープン動作は、基本的にはメインマイコンからの３相オープン信号によって実行される。なお、メインマイコンからの３相オープン信号以外の信号によって行う例については後述する。メインマイコンからの３相オープン信号がモータ駆動制御部１０５に入力されると、モータ駆動制御部１０５は、３相オープン信号をタイマ回路２０５を介してバッファ２２１に入力する。

３相オープン信号がトリガ信号としてバッファ２２１に入力されると、上述したようにバッファ２２１は遮断状態とされ、バッファ２２１の出力側はＨｉｇｈ状態となる。一方、バッファ２２２ａ，２２２ｂ，２２３にはトリガ信号が入力されないので、いずれも導通状態となっており、入力された信号はＨｉｇｈ，Ｌｏｗ状態を変えることなくそのまま出力される。すなわち、３相オープン動作時には、上下アームの全ての半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆの全てに関して、Ｈｉｇｈ信号がゲート駆動部１０６に入力される。その結果、半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆの全てが遮断状態とされる。なお、ゲート駆動部１０６にＨｉｇｈ信号が入力されると半導体スイッチング素子はＯＦＦ（遮断状態）とされ、Ｌｏｗ信号が入力されると半導体スイッチング素子はＯＮ（導通状態）とされる。

メインマイコンからの３相オープン信号の入力がなくなると、タイマ回路２０５により設定された時間だけバッファ２２１への３相オープン信号の入力が保持された後に、バッファ２２１への３相オープン信号の入力がなくなる。バッファ２２１への３相オープン信号の入力がなくなると、バッファ２２１は導通状態となり、通常のＰＷＭ制御に復帰する。

モータ短絡検出信号がバッファ２２３に入力され、バッファ２２３は、このモータ短絡検出信号に基づいて３相オープンのための信号を出力する。バッファ２２３は、スイッチング制御信号ライン上において３相ショートを行うバッファ２２２ａ，２２２ｂよりもゲート駆動部１０６に近い側、つまり下流側に設けられる。よって、バッファ２２１，２２２ａ，２２２ｂおよび２２３の内で最も高い優先度を有している。バッファ２２３にトリガ信号としてモータ短絡検出信号やゲート駆動部１０６からの異常検知信号が入力されると、バッファ２２３の出力は遮断され３相オープンとなる。

ここでモータ短絡検出信号をバッファ２２１ではなくバッファ２２３に入力し３相オープンの保護動作を行うのは、モータ短絡検出信号がモータ短絡等の故障によりモータ短絡検出器から出力されるため、モータに電流を流す３相ショートは危険であると考えられるためである。よって、３相ショートよりも優先度の高いバッファ２２３による３相オープンを行い、モータ短絡等の異常電流が発生し得る故障に対して電流を流さない保護動作が可能となる。

モータ短絡等による電流の急激な変化が発生すると、図３に示されるように、判定器２０２または判定器２１２は出力がＨＩレベルとなりモータ短絡検出信号を出力する。モータ短絡検出信号はモータ駆動制御部のバッファ２２１に入力し、バッファ２２１の出力はハイインピーダンスとなり、スイッチング素子全てをＯＦＦする動作を行う。保護制御の優先度によってはモータ短絡検出信号をバッファ２２３へ入力するように構成しても良い。

なお、図１に示されたモータ短絡検出部１０７及びモータ駆動制御部１０５の保護動作にかかわる回路をアナログで構成することにより、モータ短絡発生から即座に保護動作に移行することができる。

電流センサの出力を上位コントローラのマイコン等に入力し、マイコンによって時間当たりの電流変化量を算出して保護を行う方法や、モータ短絡検出信号を上位コントローラに入力し保護制御を行うこともできる。しかし、上位コントローラの応答速度によっては保護動作が間に合わない場合がある。例えば、マイコンのタスク処理時間が１００ｕｓであると、モータ短絡が発生してから１００ｕｓ後には約２００００Ａまで電流が上昇することになる。よって本実施例ではモータ短絡検出部１０７とモータ短絡検出信号により動作するモータ駆動制御部１０５の保護制御回路はアナログ回路によって構成する。

１０１直流電源
１０２平滑コンデンサ
１０３インバータ部
１０４モータ
１０５モータ駆動制御部
１０６ゲート駆動部
１０７モータ短絡検出部
１０８電流センサ
２０１，２１１微分器
２０２，２１２判定器

Claims

直流電流を複数相の交流電流に変換し、当該交流電流を固定子巻線を有するモータに出力するインバータ回路部と、
前記モータに出力される前記交流電流を検出する電流センサと、
前記電流センサにより検出された電流値を用いて前記インバータ回路部の駆動を制御する駆動制御部と、
前記電流センサにより検出された電流値を取得し、当該電流値の単位時間当たりの変化率を検出する第１変化率検出器と、
前記第１変化率検出器の検出結果を取得し、前記電流値の単位時間当たりの変化率が所定値以上であるか否かを判定する第１判定器と、を備え、
前記第１判定器の判定結果に基づいて前記モータの前記固定子巻線の短絡を検出するモータ制御装置。
請求項１に記載されたモータ制御装置であって、
前記第１変化率検出器は、前記電流センサから出力される電荷を蓄えるコンデンサと、当該コンデンサと前記第１判定器との間に接続される抵抗器を含んで構成され、
前記第１判定器は、抵抗器により基準電圧が設定されたコンパレータにより構成されるモータ制御装置。
請求項２に記載されたモータ制御装置であって、
前記駆動制御部から出力される制御信号に基づいて前記インバータ回路部を駆動する駆動部を備え、
前記インバータ回路部は、スイッチング動作により前記直流電流を前記交流電流に変換する複数のスイッチング素子を含んで構成され、
前記電流センサと前記第１変化率検出器と前記第１判定器と前記駆動制御部と前記駆動部の応答速度の和が前記スイッチング素子に流れる短絡電流の通電可能時間よりも小さくなるように、前記第１変化率検出器のコンデンサと抵抗器及び前記第１判定器の抵抗器が設定されるモータ制御装置。
請求項１に記載されたモータ制御装置であって、
前記電流センサにより検出された電流値を取得し、当該電流値の単位時間当たりの変化率を検出し、かつ前記第１変化率検出器と電気的に並列に接続された第２変化率検出器と、
前記第２変化率検出器の検出結果を取得し、前記電流値の単位時間当たりの変化率が所定値以上であるか否かを判定し、かつ前記第１判定器と電気的に並列に接続された第２判定器と、を備え、
前記第１判定器は、前記インバータ回路から前記モータに流れる電流値の単位時間当たりの変化率が所定値以上であるときにモータ短絡検出信号を出力し、
前記第２判定器は、前記モータから前記インバータ回路に流れる電流値の単位時間当たりの変化率が所定値以上であるときにモータ短絡検出信号を出力するモータ制御装置。