JP2020065341A - 永久磁石同期モータの駆動システム - Google Patents
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Abstract
Description
図11において、10は直流電源、20はIGBTやMOSFET等の半導体スイッチング素子Qu,Qv,Qw,Qx,Qy,Qzからなる三相の電圧型インバータ、PMSMは永久磁石同期モータである。以下では、永久磁石同期モータPMSMを単に同期モータとも言い、固定子巻線のみを図示する。
このため、従来より、インバータの直流電圧等の異常を検出してフェイルセーフ動作を行う発明が種々提供されている。
なお、過電圧検出回路31及び各駆動回路32,33は、他相のスイッチング素子に対する駆動信号の生成にも用いられる。
また、インバータ20の直流電圧が過電圧検出回路31による設定電圧を超えると、三相短絡駆動回路33の出力信号がオア回路35を介してスイッチング素子Qxに入力され、このスイッチング素子Qxを他相のスイッチング素子Qy,Qzと共に短絡させる。これにより、同期モータの回転数を低下させてインバータ20の直流電圧を正常値にまで低下させることができる。
なお、特許文献2では、インバータの交流電圧やモータの回転速度に対しても、それぞれ所定の閾値との比較結果に基づく短絡動作、開放動作等を可能にしている。
これに対し、インバータを構成するスイッチング素子の短絡故障等を検出し、短絡した相(レグ)や上下アームを特定して退避動作を行う従来技術が、特許文献3〜5に開示されている。
なお、図15(a)は一相(U相)短絡時、図15(b)は二相(U相,V相)短絡時、図15(c)は三相短絡時の各相電流波形である。
更に、特許文献5には、一相短絡故障が発生した時に三相短絡制御を行い、その状態で一相開放故障(他の二相の短絡)が発生したことを検出して安全動作に移行する技術が開示されている。
また、特許文献1〜5に記載された従来技術では、インバータの全相の上アームまたは下アームのスイッチング素子をONさせてフェイルセーフ動作を行う際に、反対側アームのスイッチング素子に短絡固着や開放固着等が生じていると、例えば上下アームの短絡等により二次故障を招く恐れがある。
前記制御装置は、
前記インバータの異常を検知する第1機能と、
前記インバータの各相出力電流を検出する第2機能と、
前記第1機能により異常を検知した際に前記永久磁石同期モータの固定子巻線を短絡させるために、前記第2機能により検出した各相出力電流のバランス状態に応じて、前記インバータの上下アームの短絡を回避しつつ全相の上アームまたは下アームの半導体スイッチング素子をONさせるように前記駆動信号を生成する第3機能と、
を備えたことを特徴とする。
前記駆動信号を生成する駆動回路が前記第1機能を備え、前記第3機能は、前記駆動回路により異常を検知した際に、前記インバータの全ての半導体スイッチング素子をOFFさせると共に、各相出力電流のバランス状態に応じて、前記インバータ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短絡固着の有無を判断することを特徴とする。
前記第3機能は、前記インバータの上アームまたは下アームの半導体スイッチング素子に短絡固着有りと判断した時に、前記インバータの異常発生レグ以外のレグについて上アームまたは下アームの半導体スイッチング素子をONさせて前記固定子巻線を短絡し、各相出力電流のバランス状態に応じて上アームまたは下アームの何れに短絡固着が有るかを判断することを特徴とする。
前記第3機能は、前記インバータの上アームまたは下アームの半導体スイッチング素子に短絡固着無しと判断した時に、前記インバータの全てのレグについて上アームまたは下アームの半導体スイッチング素子をONさせて前記固定子巻線を短絡し、各相出力電流のバランス状態に応じて上アームまたは下アームの何れに開放固着が有るかを判断し、または固着故障が無いと判断することを特徴とする。
前記第1機能を、前記駆動信号を生成する駆動回路以外の部分が備えており、前記第3機能は、前記第1機能により異常を検知した際に、前記各相出力電流のバランス状態に応じて、前記インバータ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開放固着の有無を判断し、または固着故障が無いと判断することを特徴とする。
請求項2に係る発明によれば、故障が発生したレグ(相)を特定してスイッチング素子の短絡固着の有無を判断することができる。
請求項3,4に係る発明によれば、短絡固着または開放固着が発生したアームを特定し、または固着故障の有無を判断することができる。
更に、請求項5に係る発明によれば、駆動回路以外の部分が異常を検知した場合に、開放固着が発生したアームを特定し、または固着故障の有無を判断することが可能である。
図1は、この実施形態に係る駆動システムの主回路構成図である。図1において、10は直流電源、20はIGBT等の半導体スイッチング素子Qu,Qv,Qw,Qx,Qy,Qzからなる三相の電圧型インバータ、PMSMは永久磁石同期モータである。なお、スイッチング素子Qu,Qv,Qw,Qx,Qy,Qzには、MOSFETやパワトランジスタ等を用いても良い。
インバータ20の各相(U,V,W相)の出力線には、電流検出器40u,40v,40wが設けられ、各相の電流検出値は、図2に示す制御装置内の制御演算部52に入力されている。
制御演算部52は、電流検出器40u,40v,40wによる検出信号が入力される相電流検出機能52aと、スイッチング素子Qiの短絡故障や開放故障等を含むインバータの異常を検知する異常検知機能52bと、相電流検出機能52a及び異常検知機能52bに基づいて後述の制御シーケンスを実行する制御シーケンス処理機能52cと、正常運転時にインバータ20をPWM制御するためにスイッチング素子Qiに対するPWM信号を出力するPWM出力機能52dと、異常発生時にスイッチング素子Qiを強制的にONさせるためのポート出力機能52eと、これらの出力機能52d,52eを切り替える切替機能52fと、を有する。
また、ゲート駆動回路51は、切替機能52fの出力に応じてスイッチング素子QiをON/OFFさせるゲート信号を生成する。
制御シーケンス処理機能52cは、例えば、スイッチング素子の短絡故障や開放故障等の異常発生時に図3の制御シーケンスを実行し、最終的に同期モータPMSMの固定子巻線を短絡させてフェイルセーフ動作を行う。
そこで、本実施形態では、制御シーケンス処理機能52cにより、異常発生時の三相電流のバランスに着目してインバータの異常発生レグやアームの上下を特定しながら巻線短絡を行わせるようにした。
図3は、ゲート駆動回路51が有するDESAT機能等によってインバータ20の異常を検知した場合に、同期モータPMSMの固定子巻線を短絡するようにスイッチング素子を制御してフェイルセーフ動作を行うための制御シーケンスである。
スイッチング素子Qiが正常である場合、全ゲート遮断によってOFFされたスイッチング素子Qiは還流ダイオードのみに通流可能であるから、同期モータPMSMの固定子巻線の誘起電圧の極性に応じて、図4(a),(b),(c)に示す方向に回生電流が流れる。この時の各相電流Iu,Iv,Iwの位相は図4(d)のように互いに120[°]ずつずれており、バランスが保たれている(ステップS2 OK)。
そこで、図2のポート出力機能52e、切替機能52f及びゲート駆動回路51を介して、全相の一方のアーム、例えば上アームのスイッチング素子をONすることにより巻線短絡を試みる(ステップS3)。
つまり、各相電流Iu,Iv,Iwがバランスしている時には(ステップS4 OK)、少なくとも上アームのスイッチング素子は短絡固着または開放固着しておらず、上アームのスイッチング素子のONによる巻線短絡は正常に行われている。なお、図5(a)は上アームのスイッチング素子のONによって巻線短絡が正常に行われた時の電流経路であり、図5(b)は各相電流Iu,Iv,Iwの波形図である。
ここで、図6(a),(b),(c)は、例えばU相上アームのスイッチング素子Quが短絡固着している場合の、固定子巻線の誘起電圧の極性に応じた電流経路を示している。前記ステップS1によって全ゲートが遮断されているので、誘起電圧による電流は、図6(a),(b)のようにインバータ20の還流ダイオードのみを介して流れる。しかし、例えばあるレグのスイッチング素子が短絡固着していると、このスイッチング素子を介して、他の二相を流れる電流の和の逆極性の電流が流れるため、各相の電流波形に基づいて短絡固着しているレグを特定することができる。
例えば、スイッチング素子Quに短絡固着が発生している場合には、図6(c)のようにスイッチング素子Quを介した電流経路が存在し、図6(d)に示す波形のU相電流Iu=−(Iv+Iw)が観察される。
その結果、各相電流Iu,Iv,Iwがバランスしていれば(ステップS7 OK)、上アームのスイッチング素子のONによる巻線短絡は成功し、異常発生レグであるU相の上アームのスイッチング素子が短絡固着していると判断して処理を終了する(ステップS32)。
ここで、図7(a),(b)は、スイッチング素子Qxが短絡固着している場合に全ゲート遮断(ステップS1)を行って各相電流がアンバランスである場合(ステップS2 NG)の電流経路であり、図7(c),(d)はU相以外のV相,W相の上アームのスイッチング素子をONして巻線短絡を試行し(ステップS6)、各相電流がアンバランスである場合(ステップS7 NG)の電流経路である。
図7(e)は、異常発生レグであるU相以外のV相,W相について、下アームのスイッチング素子をONして巻線短絡を試行し、これが成功した場合(ステップS8,S33)の電流経路であり、U相の下アームのスイッチング素子Qxが短絡固着していると判断して処理を終了する。
そして、各相電流がバランスしていれば(ステップS11 OK)、巻線短絡が成功し、下アームのスイッチング素子に固着故障がないと判断する(ステップS35)。また、各相電流がアンバランスである場合(ステップS11 NG)、上アームのスイッチング素子を再度ONして巻線短絡を完了し、下アームのスイッチング素子が開放固着していると判断して処理を終了する(ステップS12,S36)。
また、図9(c),(d)は、下アームのスイッチング素子について固着故障の有無の確認が必要な場合に(ステップS5 No)、下アームのスイッチング素子をONして巻線短絡を試行した結果、各相電流がアンバランスとなり(ステップS10,S11 NG)、その後に全相の上アームのスイッチング素子を再度ONして巻線短絡が成功した場合(ステップS12,S36)の電流経路である。
上記の点に鑑み、ゲート駆動回路51の異常検知機能以外によって検知される異常(ここでは、その他の異常という)が発生した場合には、図10の制御シーケンスに従って最終的に巻線短絡を行うことが望ましい。
以後の各ステップ(S23〜S27及びS41〜S44)は、図3における各ステップ(S5,S9〜S12及びS31,S35,S36,S34)とそれぞれ同一であるため、詳述を省略する。
この場合、開放固着が発生しているレグ(相)を特定することはできないが、電流波形に顕著な特徴があることは明白なため、波形の特徴を更に分析して固着発生レグを特定することも可能である。
20:インバータ
40u,40v,40w:電流検出器
51:ゲート駆動回路
52:制御演算部
52a:相電流検出機能
52b:異常検知機能
52c:制御シーケンス処理機能
52d: PWM出力機能
52e:ポート出力機能
52f:切替機能
Qu,Qv,Qw,Qx,Qy,Qz,Qi:半導体スイッチング素子
PMSM:永久磁石同期モータ
Claims (5)
- 三相の永久磁石同期モータを駆動する三相のインバータと、前記インバータを構成する半導体スイッチング素子の駆動信号を生成する制御装置と、を有する永久磁石同期モータの駆動システムにおいて、
前記制御装置は、
前記インバータの異常を検知する第1機能と、
前記インバータの各相出力電流を検出する第2機能と、
前記第1機能により異常を検知した際に前記永久磁石同期モータの固定子巻線を短絡させるために、前記第2機能により検出した各相出力電流のバランス状態に応じて、前記インバータの上下アームの短絡を回避しつつ全相の上アームまたは下アームの半導体スイッチング素子をONさせるように前記駆動信号を生成する第3機能と、
を備えたことを特徴とした永久磁石同期モータの駆動システム。 - 請求項1に記載した永久磁石同期モータの駆動システムにおいて、
前記駆動信号を生成する駆動回路が前記第1機能を備え、
前記第3機能は、前記駆動回路により異常を検知した際に、前記インバータの全ての半導体スイッチング素子をOFFさせると共に、各相出力電流のバランス状態に応じて、前記インバータ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短絡固着の有無を判断することを特徴とした永久磁石同期モータの駆動システム。 - 請求項2に記載した永久磁石同期モータの駆動システムにおいて、
前記第3機能は、前記インバータの上アームまたは下アームの半導体スイッチング素子に短絡固着有りと判断した時に、前記インバータの異常発生レグ以外のレグについて上アームまたは下アームの半導体スイッチング素子をONさせて前記固定子巻線を短絡し、各相出力電流のバランス状態に応じて上アームまたは下アームの何れに短絡固着が有るかを判断することを特徴とした永久磁石同期モータの駆動システム。 - 請求項2に記載した永久磁石同期モータの駆動システムにおいて、
前記第3機能は、前記インバータの上アームまたは下アームの半導体スイッチング素子に短絡固着無しと判断した時に、前記インバータの全てのレグについて上アームまたは下アームの半導体スイッチング素子をONさせて前記固定子巻線を短絡し、各相出力電流のバランス状態に応じて上アームまたは下アームの何れに開放固着が有るかを判断し、または固着故障が無いと判断することを特徴とした永久磁石同期モータの駆動システム。 - 請求項1に記載した永久磁石同期モータの駆動システムにおいて、
前記第1機能を、前記駆動信号を生成する駆動回路以外の部分が備えており、
前記第3機能は、前記第1機能により異常を検知した際に、前記各相出力電流のバランス状態に応じて、前記インバータ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開放固着の有無を判断し、または固着故障が無いと判断することを特徴とした永久磁石同期モータの駆動システム。
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