JP2020080610A - モータ駆動システム - Google Patents

Abstract

【課題】三相短絡の開始直後の過電流や三相短絡処理の停止時における過電圧の発生を回避して装置の構成部品を保護可能としたモータ駆動システムを提供する。【解決手段】インバータ４０のスイッチング素子に対する駆動パルスを生成する制御装置７０が、平滑コンデンサ３０の両端電圧の過電圧を検出する過電圧検出回路７１と、インバータ４０から出力される相電流の極性を判別する極性判別回路７２と、過電圧検出回路７１による過電圧検出時にインバータ４０の全スイッチング素子をオフする処理と、極性判別回路７２により検出した相電流の極性が負である相の下アームスイッチング素子をオンする処理と、残りの相の下アームスイッチング素子をオンすることにより全相の下アームスイッチング素子をオンにして交流モータ１００の固定子巻線を短絡させる処理と、を順次実行する電圧指令演算部７３、ＰＷＭ回路７４等を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、インバータにより交流モータを駆動するモータ駆動システムに関し、詳しくは、インバータの直流中間電圧や出力電流が過大になるのを抑制するための技術に関するものである。

図８は、インバータによって永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）を駆動するシステムの概略的な構成図である。同図において、１０は直流電源、２０は遮断器、３０は平滑コンデンサ、４０はＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチング素子Ｑ_ｕ，Ｑ_ｖ，Ｑ_ｗ，Ｑ_ｘ，Ｑ_ｙ，Ｑ_ｚのブリッジ回路からなる三相の電圧型インバータ、１００はＰＭＳＭ等の交流モータ（以下では、単にモータとも言う）。

上記の駆動システムにおいて、モータ１００の回生運転中に遮断器２０が開放されると、回生エネルギーが平滑コンデンサ３０に蓄積されてその両端電圧（直流中間電圧）が上昇し、過電圧となる。この時、インバータ４０の保護動作によりスイッチング素子を全相遮断して過電圧トリップを行うと、それまでモータ１００の固定子巻線に流れていた電流による残留エネルギーがインバータ４０内の還流ダイオードを介して平滑コンデンサ３０に流入する。このため、平滑コンデンサ３０の電圧は過電圧レベルを超えて更に上昇することになり、スイッチング素子の破損等を招くことになる。
このような問題は、車載用インバータのごとく、装置の小型化という要請から小容量の平滑コンデンサ３０を使用する場合に特に顕著である。

上記の問題に対する従来の対策としては、インバータ４０の直流中間電圧の過電圧状態を検出したら、インバータ４０の上アームまたは下アームのスイッチング素子を全相オンにしてモータ１００の固定子巻線を短絡し（三相短絡または三相巻線短絡という）、モータ１００からインバータ４０を介して平滑コンデンサ３０にエネルギーが流入するのを阻止することにより、直流中間電圧の上昇を防止している。
図９は、例えばインバータ４０の下アームの全相のスイッチング素子Ｑ_ｘ，Ｑ_ｙ，Ｑ_ｚを同時にオンすることにより、破線で示す方向の電流が平滑コンデンサ３０に流入するのを防止して直流中間電圧の上昇を回避する様子を示している。

上述したように、三相短絡はインバータ４０の過電圧対策として有効なものである。
しかし、例えば永久磁石同期モータの駆動システムにおいて、インバータの直流中間電圧が過電圧になった時に単純に三相短絡を行うと、三相短絡開始時点の永久磁石の磁極位置により、各相の過渡電流成分が正側または負側に大きく偏り、これに起因して発生する過電流によってスイッチング素子が破壊される恐れがある。

このため、特許文献１に記載された電気自動車用制御装置では、三相短絡処理に先立って図１０に示すような事前処理を実行している。
例えば、インバータ４０のＵ相に流れる過渡電流が最大である場合には、事前処理としてスイッチング素子Ｑ_ｕ，Ｑ_ｙ，Ｑ_ｚを時間Ｔ_１にわたってオンすることにより、等価的に、図１０（ａ）に示すように幅がＴ_１のパルス電圧（平滑コンデンサ３０の蓄電電力による電圧）をＵ相に印加し、このパルス電圧によりＵ相に流れる過渡電流を打ち消して過電流の発生を防止する。

図１０（ｂ）は、上述した事前処理のフローチャートであり、まず、平滑コンデンサ３０の電圧を取り込んで前記の時間Ｔ_１を演算する（ステップＳ１，Ｓ２）。この時間Ｔ_１は、平滑コンデンサ３０の電圧に基づく電流最終値や三相短絡時におけるＵ相過渡電流の減衰時定数、定常電流の振幅等を用いて演算される。
次に、図１０（ａ）のパルス電圧を印加するための指令を短絡用電圧指令として演算し（Ｓ３）、所定のタイミングになったら（Ｓ４ ＹＥＳ）、短絡用電圧指令に従い、時間Ｔ_１にわたりスイッチング素子Ｑ_ｕ，Ｑ_ｙ，Ｑ_ｚをオンして他のスイッチング素子をオフする操作を「先行オンオフ制御」として実行する（Ｓ５）。そして、時間Ｔ_１が経過したら（Ｓ６ ＹＥＳ）、スイッチング素子Ｑ_ｕをオフしてＱ_ｘをオンすることにより、下アーム全相のスイッチング素子Ｑ_ｘ，Ｑ_ｙ，Ｑ_ｚをオン状態とする三相短絡処理に移行するものである（Ｓ７）。

また、他の従来技術として、上アームまたは下アームのスイッチング素子の開放動作から三相短絡動作に至る期間に、開放と短絡とを交互に繰り返す間欠短絡動作を行うようにした永久磁石同期モータの駆動装置が、特許文献２に記載されている。図１１は、この従来技術の動作を示すタイミングチャートである。
この従来技術によれば、完全な三相短絡動作に移行する前に間欠短絡動作期間Ｔ_２を設け、この期間Ｔ_２における短絡期間のデューティを徐々に長くしていく制御を行うことにより、開放動作から直ちに三相短絡動作へ移行する場合に発生する過電流を抑制している。

一方、交流モータにおける三相短絡制御は、いわゆる短絡ブレーキとしても知られているが、特許文献３には、三相ブラシレスモータを制動する場合に三相短絡制御では制動力が強過ぎる点に着目し、二相短絡制御を行って制動力を抑制することが開示されている。
また、特許文献４には、同じく三相ブラシレスモータに適用する短絡ブレーキとして、インバータの上アームのスイッチング素子を全相オンにした状態で下アームのスイッチング素子を三相、二相、または一相のみオンさせることで、逆起電力を発生させずに回生電力によるコンデンサの不要な充電を回避しつつ所望の制動力を確保する技術が開示されている。

特許第３３９４４３６号公報（段落［００３８］〜［００４３］、図１，図２等） 特許第５３９８８１５号公報（段落［００１６］、図１，図７等） 特開２０１３−２４３８２４号公報（段落［００６５］〜［０１０４］、図３〜図５等） 特開平７−１８４３９１号公報（段落［００１２］〜［００１８］、図４〜図６等）

特許文献１，２に記載された従来技術では、三相短絡処理に先立って先行オンオフ制御や間欠短絡動作を行うことにより過電圧や過電流を抑制することが可能であるが、三相短絡処理の開始直後に、インバータとモータとの間で過渡的に過電流が流れ、スイッチング素子や配線の破損、モータの減磁等を招く恐れがある。
ここで、図１２は、時刻ｔ_１において三相短絡を開始した場合の直流中間電圧Ｅ_ｄｃ、相電流Ｉ_ｕ，Ｉ_ｖ，Ｉ_ｗ，及び、インバータの下アームの各相スイッチング素子Ｑ_ｘ，Ｑ_ｙ，Ｑ_ｚの挙動を示した波形図である。なお、上アームのスイッチング素子は全てオフしている。
この図１２によれば、スイッチング素子Ｑ_ｘ，Ｑ_ｙ，Ｑ_ｚを時刻ｔ_１に同時にオンすることにより直流中間電圧Ｅ_ｄｃの上昇を抑制できる一方で、時刻ｔ_１の直後には相電流が過渡的に大きくなっていることが判る。

また、一般に、三相短絡処理を停止する際には、それまでオンさせていた下アームまたは上アームのスイッチング素子をオフすることで全相の上下アームのスイッチング素子をオフ状態とする「全相遮断」を行うが、これによると、以下のような問題を生じる。
図１３は、三相短絡を開始してその後に三相短絡を停止した場合の動作を示す波形図である。時刻ｔ_１で三相短絡を開始してから時刻ｔ_２でスイッチング素子Ｑ_ｘ，Ｑ_ｙ，Ｑ_ｚを同時にオフして三相短絡を停止した場合、その時にスイッチング素子に流れていた電流の行き場がなくなり、この電流は還流ダイオードを介して平滑コンデンサ３０を充電する電流となる。このため、時刻ｔ_２の直後に直流中間電圧Ｅ_ｄｃが過電圧レベルを超えてしまい、平滑コンデンサ３０の耐圧超過を招くという問題があった。

上記のように、三相短絡の開始直後に発生する過電流や、三相短絡を停止する全相遮断直後に発生する過電圧を回避するための技術については、特許文献１〜４に何ら開示されていない。
そこで、本発明の解決課題は、三相短絡の開始直後の過電流や三相短絡処理の停止時における過電圧の発生を回避して装置の構成部品を保護するようにしたモータ駆動システム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に係る発明は、直流電源に対して並列に接続される平滑コンデンサの両端に、複数のスイッチング素子をブリッジ接続してなるインバータの直流入力端子が接続され、前記インバータの交流出力端子が交流モータの固定子巻線に接続される共に、前記スイッチング素子をオン・オフするための駆動パルスを生成する制御装置を備えたモータ駆動システムにおいて、
前記制御装置は、
前記平滑コンデンサの両端電圧の過電圧を検出する過電圧検出手段と、
前記インバータから出力される相電流の極性を判別する極性判別手段と、
前記過電圧検出手段による過電圧検出時に前記インバータの全てのスイッチング素子をオフさせる処理と、前記極性判別手段により検出した相電流の極性が負である相の下アームスイッチング素子をオンさせる処理と、残りの相の下アームスイッチング素子をオンさせることにより全相の下アームスイッチング素子をオン状態にして前記固定子巻線を短絡させる処理と、を順次実行する制御手段と、
を有することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、直流電源に対して並列に接続される平滑コンデンサの両端に、複数のスイッチング素子をブリッジ接続してなるインバータの直流入力端子が接続され、前記インバータの交流出力端子が交流モータの固定子巻線に接続される共に、前記スイッチング素子をオン・オフするための駆動パルスを生成する制御装置を備えたモータ駆動システムにおいて、
前記制御装置は、
前記平滑コンデンサの両端電圧の過電圧を検出する過電圧検出手段と、
前記インバータから出力される相電流の極性を判別する極性判別手段と、
前記過電圧検出手段による過電圧検出時に前記インバータの全てのスイッチング素子をオフさせる処理と、前記極性判別手段により検出した相電流の極性が正である相の上アームスイッチング素子をオンさせる処理と、残りの相の上アームスイッチング素子をオンさせることにより全相の上アームスイッチング素子をオン状態にして前記固定子巻線を短絡させる処理と、を順次実行する制御手段と、
を有することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、直流電源に対して並列に接続される平滑コンデンサの両端に、複数のスイッチング素子をブリッジ接続してなるインバータの直流入力端子が接続され、前記インバータの交流出力端子が交流モータの固定子巻線に接続される共に、前記スイッチング素子をオン・オフするための駆動パルスを生成する制御装置を備えたモータ駆動システムにおいて、
前記制御装置は、
前記平滑コンデンサの両端電圧の過電圧を検出する過電圧検出手段と、
前記インバータから出力される相電流の極性を判別する極性判別手段と、
前記過電圧検出手段による過電圧検出時に前記インバータの全てのスイッチング素子をオフさせる処理と、前記インバータの全相の下アームスイッチング素子をオンさせて前記固定子巻線を短絡させる処理と、前記極性判別手段により検出した相電流の極性が正である相の下アームスイッチング素子をオフさせる処理と、残りの相の下アームスイッチング素子をオフさせることにより全相の下アームスイッチング素子をオフ状態にして前記固定子巻線の短絡を停止する処理と、を順次実行する制御手段と、
を有することを特徴とする。

請求項４に係る発明は、直流電源に対して並列に接続される平滑コンデンサの両端に、複数のスイッチング素子をブリッジ接続してなるインバータの直流入力端子が接続され、前記インバータの交流出力端子が交流モータの固定子巻線に接続される共に、前記スイッチング素子をオン・オフするための駆動パルスを生成する制御装置を備えたモータ駆動システムにおいて、
前記制御装置は、
前記平滑コンデンサの両端電圧の過電圧を検出する過電圧検出手段と、
前記インバータから出力される相電流の極性を判別する極性判別手段と、
前記過電圧検出手段による過電圧検出時に前記インバータの全てのスイッチング素子をオフさせる処理と、前記インバータの全相の上アームスイッチング素子をオンさせて前記固定子巻線を短絡させる処理と、前記極性判別手段により検出した相電流の極性が負である相の上アームスイッチング素子をオフさせる処理と、残りの相の上アームスイッチング素子をオフさせることにより全相の上アームスイッチング素子をオフ状態にして前記固定子巻線の短絡を停止する処理と、を順次実行する制御手段と、
を有することを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１に記載したモータ駆動システムにおいて、
前記制御手段は、
全相の下アームスイッチング素子をオン状態にして前記固定子巻線を短絡させている前記インバータに対して、
前記極性判別手段により検出した相電流の極性が正である相の下アームスイッチング素子をオフさせる処理と、残りの相の下アームスイッチング素子をオフさせることにより全相の下アームスイッチング素子をオフ状態にして前記固定子巻線の短絡を停止する処理と、を順次実行することを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項２に記載したモータ駆動システムにおいて、
前記制御手段は、
全相の上アームスイッチング素子をオン状態にして前記固定子巻線を短絡させている前記インバータに対して、
前記極性判別手段により検出した相電流の極性が負である相の上アームスイッチング素子をオフさせる処理と、残りの相の上アームスイッチング素子をオフさせることにより全相の上アームスイッチング素子をオフ状態にして前記固定子巻線の短絡を停止する処理と、を順次実行することを特徴とする。

請求項７に係る発明は、請求項１〜６の何れか１項に記載したモータ駆動システムにおいて、
前記制御手段は、前記平滑コンデンサの両端電圧、前記相電流、前記交流モータの回転速度のうち一つ以上の入力情報を用いて速度制御またはトルク制御を行うことにより前記駆動パルスを生成することを特徴とする。

本発明によれば、インバータの直流中間電圧が過電圧になった際に交流モータの固定子巻線を三相短絡する場合に、短絡処理の開始時における過電流や短絡停止時における過電圧の発生を防止することができる。これにより、インバータを構成するスイッチング素子や平滑コンデンサ等の保護動作を一層確実に行うことが可能である。

本発明の実施形態に係るモータ駆動システムの概略的な構成図である。 図１における制御装置の主要部を示すブロック図である。 本発明の実施形態による短絡処理時の動作を示すインバータの回路図である。 本発明の実施形態による短絡処理時の各部の電圧、電流の波形図、及びスイッチング素子の動作説明図である。 本発明の実施形態による短絡処理時の各部の電圧、電流の波形図、及びスイッチング素子の動作説明図である。 本発明の実施形態による三相短絡停止時の動作を示すインバータの回路図である。 本発明の実施形態による短絡開始から停止に至るまでの各部の電圧、電流の波形図、及びスイッチング素子の動作説明図である。 永久磁石同期モータの駆動システムを示す概略的な構成図である。 三相短絡処理の一例を示すインバータの回路図である。 特許文献１に記載された従来技術の動作を示す等価回路図（図１０（ａ））及びフローチャート（図１０（ｂ））である。 特許文献２に記載された従来技術の動作を示すタイミングチャートである。 従来技術における三相短絡開始直後の動作を示す波形図である。 従来技術における三相短絡開始から停止後までの動作を示す波形図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るモータ駆動システムの概略的な構成図であり、図８と同一部分については同一の符号を付してある。

図１において、直流電源１０は、バッテリーのほか、直流−直流変換を行う昇圧チョッパやＤＣ／ＤＣコンバータ、交流−直流変換を行うＰＷＭコンバータやダイオード整流器等によって構成されている。また、遮断器２０は、直流リレーや半導体スイッチング素子、ヒューズ等からなる。
直流電源１０と遮断器２０との直列回路の両端に接続された平滑コンデンサ３０には、図示されていないが、放電用の抵抗と半導体スイッチング素子との直列回路が並列に接続される。
上記平滑コンデンサ３０に直流入力端子が接続されたインバータ４０の半導体スイッチング素子Ｑ_ｕ，Ｑ_ｖ，Ｑ_ｗ，Ｑ_ｘ，Ｑ_ｙ，Ｑ_ｚには、図示するＩＧＢＴのほか、ＭＯＳＦＥＴ、パワートランジスタ等が使用可能であり、このインバータ４０によって駆動されるモータ１００には、図示する永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）のほか、誘導電動機（ＩＭ）やリラクタンスモータ等がある。

平滑コンデンサ３０にはその両端電圧（直流中間電圧）Ｅ_ｄｃを検出する電圧検出器５０が設けられており、インバータ４０の各相の出力側には、相電流Ｉ_ｕ，Ｉ_ｖ，Ｉ_ｗを検出する電流検出器６０が設けられている。
また、モータ１００には、回転子の角速度ω（または角度θ）を検出するセンサ１１０が設けられている。なお、いわゆるセンサレス制御によってモータ１０を駆動する場合には、上記のセンサ１１０は不要である。

インバータ４０を制御する制御装置７０には、上位のシステムから速度指令またはトルク指令が与えられると共に、各検出器５０，６０及びセンサ１１０からの電圧検出値Ｅ_ｄｃ、相電流検出値Ｉ_ｕ，Ｉ_ｖ，Ｉ_ｗ、速度検出値ω（θ）が入力されている。制御装置７０は、これらの検出値に基づいて生成した駆動パルスによりインバータ４０のスイッチング素子Ｑ_ｕ，Ｑ_ｖ，Ｑ_ｗ，Ｑ_ｘ，Ｑ_ｙ，Ｑ_ｚをオン・オフさせ、モータ１００を所定の速度または出力トルクのもとで運転するように動作する。

次に、制御装置７０の主要部の構成を図２に基づいて説明する。
制御装置７０は、ＣＰＵ等の演算手段からなる電圧指令演算部７３を備えている。この電圧指令演算部７３は、電圧検出値Ｅ_ｄｃ、相電流検出値Ｉ_ｕ，Ｉ_ｖ，Ｉ_ｗ、速度検出値ω（θ）のうち一以上の情報を用いて、上位から与えられた速度指令にモータ１００の回転速度が一致するように速度制御を行い、あるいは、トルク指令にモータ１００の出力トルクが一致するようにトルク制御を行い、インバータ４０の出力電圧指令Ｖ^＊を演算する。そして、例えば、出力電圧指令Ｖ^＊とキャリアとを比較するＰＷＭ回路７４の動作により、インバータ４０のスイッチング素子Ｑ_ｕ，Ｑ_ｖ，Ｑ_ｗ，Ｑ_ｘ，Ｑ_ｙ，Ｑ_ｚをオン・オフさせるための駆動パルスを生成する。ここで、速度制御またはトルク制御は、上位からの指令やパラメータに応じて変更可能に構成しても良い。

また、制御装置７０には、直流中間電圧Ｅ_ｄｃが過電圧閾値を超えた時に過電圧検出信号を出力する過電圧検出回路７１が設けられている。上記の過電圧閾値は、直流中間電圧Ｅ_ｄｃが平滑コンデンサ３０やスイッチング素子の耐圧を超えないように予め設定された値であり、制御電源電圧を抵抗により分圧して生成されるものである。過電圧検出信号が入力された電圧指令演算部７３は、ＰＷＭ回路７４を介して、インバータ４０の全てのスイッチング素子に対する駆動パルスを一定期間にわたってオフするようになっている。

更に、制御装置７０には、相電流検出値Ｉ_ｕ，Ｉ_ｖ，Ｉ_ｗを電流閾値とそれぞれ比較して各相電流の極性を判別する極性判別回路７２が設けられている。ここで、相電流の極性は、後述する図３等に示すように、例えばインバータ４０からモータ１００に向かう方向を正と定義する。この極性判別回路７２により生成された極性判別信号は、電圧指令演算部７３に入力されている。

次に、この実施形態の動作を説明する。
始めに、図３〜図５に従って、モータ１００の固定子巻線を三相短絡するために、インバータ４０の下アームまたは上アームのオフ状態にあるスイッチング素子をオンする場合の動作について述べる。

極性判別回路７２は、モータ１００の固定子巻線の短絡処理をインバータ４０の下アームスイッチング素子をオンさせて行う場合と、上アームスイッチング素子をオンさせて行う場合とで、異なる電流閾値を用いて相電流の極性を判別する。
一例として、直流中間電圧Ｅ_ｄｃの過電圧検出時に全てのスイッチング素子をオフした状態で、下アームスイッチング素子をオンさせて短絡処理を行う場合について説明する。

極性判別回路７２は、相電流検出値が、零以上の正値である電流閾値を下回ったら当該相電流の極性を負と判定し、極性判別信号を電圧指令演算部７３に出力する。上記の電流閾値は、相電流が零近傍である場合や、過電圧検出タイミングと電流検出タイミングとの間にずれがある時などの誤判定を防止するために、正側に所定のオフセットを持たせた値にすることが望ましい。
極性判別信号により、ある相電流の極性が負であることを認識した電圧指令演算部７３は、当該相の下アームのスイッチング素子をオンさせるための出力電圧指令Ｖ^＊を生成し、ＰＷＭ回路７４を介して駆動パルスを生成する。

図３は、上述した短絡処理時の動作を示すインバータ４０の回路図である。図３（ａ），（ｂ）において、×印はオフ状態にあるスイッチング素子を示し、実線及び破線の〇印はオンされるスイッチング素子を示している。
図３（ａ）ではＶ相電流Ｉ_ｖの極性が負であるため、極性判別回路７２はＶ相電流Ｉ_ｖの極性判別信号に基づいて下アームのスイッチング素子Ｑ_ｙを最初にオンさせるように動作する。なお、電流の極性が正であるＵ相，Ｗ相については、図３（ａ）に矢印で示す如くスイッチング素子Ｑ_ｘ，Ｑ_ｚの還流ダイオードに電流が流れているため、スイッチング素子Ｑ_ｘ，Ｑ_ｚをオンしなくても瞬間的な動作は変わらない。

図４は、時刻ｔ_１ａにスイッチング素子Ｑ_ｙだけをオンした場合の直流中間電圧Ｅ_ｄｃ、各相電流の波形図、及びスイッチング素子の動作説明図である。この図４を、下アームの全てのスイッチング素子Ｑ_ｘ，Ｑ_ｙ，Ｑ_ｚを同時にオンさせる図１２と比較すると、直流中間電圧Ｅ_ｄｃの抑制効果はほぼ同じであるが、時刻ｔ_１ａの直後に過渡的に流れる電流は図１２よりも小さくなっている。
また、電流の極性が負となる相が二相ある場合には、当該二相のスイッチング素子をオンさせることにより、オン直後の電流を抑制することができる。

しかしながら、図４からも明らかなように、時刻ｔ_１ａから一定時間を経過した定常時には、一相または二相の短絡故障時と同様に電流が徐々に大きくなってしまう。
そこで、Ｖ相のスイッチング素子Ｑ_ｙをオンしてから所定時間を経過した時点で、下アームの残りの二相のスイッチング素子Ｑ_ｘ，Ｑ_ｚをオンすることにより下アームの全てのスイッチング素子Ｑ_ｘ，Ｑ_ｙ，Ｑ_ｚをオン状態とし、三相短絡状態に移行させる。ここで、上記の所定時間は、モータ１００の回転速度に比例した値とする。図３（ｂ）は、この時の下アームのスイッチング素子Ｑ_ｘ，Ｑ_ｙ，Ｑ_ｚの状態を示している。

図５は、上述したように時刻ｔ_１ａでスイッチング素子Ｑ_ｙをオンし、所定時間経過後の時刻ｔ_１ｂで残り二相のスイッチング素子Ｑ_ｘ，Ｑ_ｚをオンして三相短絡状態に移行した場合の直流中間電圧Ｅ_ｄｃ、各相電流の波形図、及びスイッチング素子の動作説明図である。
この図５を図４と比較すると、時刻ｔ_１ａ以後は図４と同様に直流中間電圧Ｅ_ｄｃの上昇が抑制されていると共に、時刻ｔ_１ｂ以後の定常時には、図４よりも電流が徐々に減少している。

なお、ある一相の電流が零である時刻（他の二相の電流が何れも最大値である時刻）で残り二相のスイッチング素子をオンすると、三相短絡状態で次の電流最大値が到来するまでの時間を長く確保することができるので、その間の電流の減衰量が大きくなり、過電流を一層低減することができる。
また、直流中間電圧Ｅ_ｄｃの過電圧を検出したタイミングで二相の電流の極性が負であった場合には、その二相の下アームスイッチング素子をオンすることになるが、その場合の電流の大きさは、三相の下アームスイッチング素子を全てオンした場合と一相のスイッチング素子のみをオンした場合との中間の値となる。

以上の説明は、インバータ４０の下アームスイッチング素子をオンさせて三相短絡処理を行う場合についてのものである。
これに対し、インバータ４０の上アームスイッチング素子をオンさせて三相短絡処理を行う場合、極性判別回路７２は、相電流検出値が、零以下の負値に設定された電流閾値を上回ったら当該相電流の極性を正と判定する。そして、まず当該相の上アームスイッチング素子をオンし、モータの回転速度に比例した所定時間の経過後に残りの二相の上アームスイッチング素子をオンすることにより、三相短絡状態に移行する。上記の電流閾値は、相電流が零近傍であった時や、過電圧検出タイミングと電流検出タイミングとの間にずれがある時の誤判定を防止するために、負側に所定のオフセットを持たせた値にすることが望ましい。

次に、図６，図７に従って、三相短絡処理を停止するために、インバータ４０の下アームまたは上アームのオン状態にあるスイッチング素子をオフする場合の動作について説明する。

この場合、極性判別回路７２は、三相短絡処理の停止をインバータ４０の下アームスイッチング素子をオフさせて行う場合と、上アームスイッチング素子をオフさせて行う場合とで、異なる電流閾値を用いて相電流の極性を判別する。
一例として、全ての上アームスイッチング素子がオフされ、全ての下アームスイッチング素子がオンされていて三相短絡処理を行っている状態で、下アームスイッチング素子をオフさせることにより三相短絡処理を停止する場合について説明する。

極性判別回路７２は、相電流検出値が、零以上の正値である電流閾値を上回ったら当該相電流の極性を正と判定し、極性判別信号を電圧指令演算部７３に出力する。上記の電流閾値は、相電流が零近傍である場合や、デッドタイムにおいて電流が変化する場合、過電圧検出タイミングと電流検出タイミングとの間にずれがある時などの誤判定を防止するために、正側に所定のオフセットを持たせた値にすることが望ましい。
極性判別信号により、ある相電流の極性が正であることを認識した電圧指令演算部７３は、当該相の下アームのスイッチング素子をオフさせるための出力電圧指令Ｖ^＊を生成し、ＰＷＭ回路７４を介して駆動パルスを生成する。

図６は、上述した短絡処理停止時の動作を示すインバータ４０の回路図である。図６（ａ），（ｂ）において、〇印はオン状態にあるスイッチング素子を示し、実線及び破線の×印はオフされるスイッチング素子を示している。
図６（ａ）ではＶ相電流Ｉ_ｖ，Ｗ相電流Ｉ_ｗの極性が正であるため、極性判別回路７２はＶ相電流Ｉ_ｖ，Ｗ相電流Ｉ_ｗの極性判別信号に基づいて下アームのスイッチング素子Ｑ_ｙ，Ｑ_ｚを最初にオフさせるように動作する。
また、図６（ｂ）は、スイッチング素子Ｑ_ｙ，Ｑ_ｚをオフさせてから所定時間を経過した後に、それまで唯一オン状態にあった下アームのスイッチング素子Ｑ_ｘをオフさせる様子を示している。これによって全てのスイッチング素子がオフされ、三相短絡処理が完全に停止されることになる。

図７は、下アームの全てのスイッチング素子Ｑ_ｘ，Ｑ_ｙ，Ｑ_ｚを時刻ｔ_１にオンさせて三相短絡させている状態から、時刻ｔ_２で図６（ａ）のようにスイッチング素子Ｑ_ｙ，Ｑ_ｚを先にオフし、その後の時刻ｔ_３で図６（ｂ）のように残りのスイッチング素子Ｑ_ｘをオフした場合の直流中間電圧Ｅ_ｄｃ、各相電流の波形図、及び各スイッチング素子の動作説明図である。
図７における相電流を観察すると、時刻ｔ_２ではＶ相電流Ｉ_ｖ，Ｗ相電流Ｉ_ｗの極性が正であるためこの時点でスイッチング素子Ｑ_ｙ，Ｑ_ｚがオフされ、極性が負のＵ相電流Ｉ_ｕが零になった時刻ｔ_３でスイッチング素子Ｑ_ｘがオフされていることが判る。
また、図７の時刻ｔ_３で三相短絡を完全に停止しても直流中間電圧Ｅ_ｄｃが上昇することはないが、前述した図１３では、三相短絡を停止した時刻ｔ_３以後、直流中間電圧Ｅ_ｄｃが上昇して過電圧レベルを大きく超えている。従って、この実施形態のように、スイッチング素子を段階的にオフさせる方法の優位性は明らかである。

上記の説明は、インバータ４０の下アームスイッチング素子をオフさせて三相短絡処理を停止させる場合のものである。
これに対し、インバータ４０の上アームスイッチング素子をオフさせて三相短絡処理を停止させる場合には、極性判別回路７２は、相電流検出値が、零以下の負値に設定された電流閾値を下回ったら当該相電流の極性を負と判定する。そして、まず当該相の上アームスイッチング素子をオフし、モータの回転速度に比例した所定時間の経過後に残りの相の上アームスイッチング素子をオフすることにより、三相短絡処理を完全に停止させる。
上記の電流閾値は、相電流が零近傍である場合や、デッドタイムにおいて電流が変化する場合、過電圧検出タイミングと電流検出タイミングとの間にずれがある時などの誤判定を防止するために、負側に所定のオフセットを持たせた値にすることが望ましい。

以上説明したように、この実施形態によれば、インバータ４０の直流中間電圧Ｅ_ｄｃが過電圧になった際にモータ１００の固定子巻線を三相短絡する場合に、短絡処理の開始時における過電流や短絡停止時における過電圧の発生を防止することができ、スイッチング素子や平滑コンデンサ等の保護動作を一層確実に行うことができる。

１０：直流電源
２０：遮断器
３０：平滑コンデンサ
４０：インバータ
５０：電圧検出器
６０：電流検出器
７０：制御装置
７１：過電圧検出回路
７２：極性判別回路
７３：電圧指令演算部
７４：ＰＷＭ回路
１００：交流モータ
１１０：センサ
Ｑ_ｕ，Ｑ_ｖ，Ｑ_ｗ，Ｑ_ｘ，Ｑ_ｙ，Ｑ_ｚ：半導体スイッチング素子

Claims (7)

1. 直流電源に対して並列に接続される平滑コンデンサの両端に、複数のスイッチング素子をブリッジ接続してなるインバータの直流入力端子が接続され、前記インバータの交流出力端子が交流モータの固定子巻線に接続される共に、前記スイッチング素子をオン・オフするための駆動パルスを生成する制御装置を備えたモータ駆動システムにおいて、
   前記制御装置は、
   前記平滑コンデンサの両端電圧の過電圧を検出する過電圧検出手段と、
   前記インバータから出力される相電流の極性を判別する極性判別手段と、
   前記過電圧検出手段による過電圧検出時に前記インバータの全てのスイッチング素子をオフさせる処理と、前記極性判別手段により検出した相電流の極性が負である相の下アームスイッチング素子をオンさせる処理と、残りの相の下アームスイッチング素子をオンさせることにより全相の下アームスイッチング素子をオン状態にして前記固定子巻線を短絡させる処理と、を順次実行する制御手段と、
   を有することを特徴としたモータ駆動システム。
2. 直流電源に対して並列に接続される平滑コンデンサの両端に、複数のスイッチング素子をブリッジ接続してなるインバータの直流入力端子が接続され、前記インバータの交流出力端子が交流モータの固定子巻線に接続される共に、前記スイッチング素子をオン・オフするための駆動パルスを生成する制御装置を備えたモータ駆動システムにおいて、
   前記制御装置は、
   前記平滑コンデンサの両端電圧の過電圧を検出する過電圧検出手段と、
   前記インバータから出力される相電流の極性を判別する極性判別手段と、
   前記過電圧検出手段による過電圧検出時に前記インバータの全てのスイッチング素子をオフさせる処理と、前記極性判別手段により検出した相電流の極性が正である相の上アームスイッチング素子をオンさせる処理と、残りの相の上アームスイッチング素子をオンさせることにより全相の上アームスイッチング素子をオン状態にして前記固定子巻線を短絡させる処理と、を順次実行する制御手段と、
   を有することを特徴としたモータ駆動システム。
3. 直流電源に対して並列に接続される平滑コンデンサの両端に、複数のスイッチング素子をブリッジ接続してなるインバータの直流入力端子が接続され、前記インバータの交流出力端子が交流モータの固定子巻線に接続される共に、前記スイッチング素子をオン・オフするための駆動パルスを生成する制御装置を備えたモータ駆動システムにおいて、
   前記制御装置は、
   前記平滑コンデンサの両端電圧の過電圧を検出する過電圧検出手段と、
   前記インバータから出力される相電流の極性を判別する極性判別手段と、
   前記過電圧検出手段による過電圧検出時に前記インバータの全てのスイッチング素子をオフさせる処理と、前記インバータの全相の下アームスイッチング素子をオンさせて前記固定子巻線を短絡させる処理と、前記極性判別手段により検出した相電流の極性が正である相の下アームスイッチング素子をオフさせる処理と、残りの相の下アームスイッチング素子をオフさせることにより全相の下アームスイッチング素子をオフ状態にして前記固定子巻線の短絡を停止する処理と、を順次実行する制御手段と、
   を有することを特徴としたモータ駆動システム。
4. 直流電源に対して並列に接続される平滑コンデンサの両端に、複数のスイッチング素子をブリッジ接続してなるインバータの直流入力端子が接続され、前記インバータの交流出力端子が交流モータの固定子巻線に接続される共に、前記スイッチング素子をオン・オフするための駆動パルスを生成する制御装置を備えたモータ駆動システムにおいて、
   前記制御装置は、
   前記平滑コンデンサの両端電圧の過電圧を検出する過電圧検出手段と、
   前記インバータから出力される相電流の極性を判別する極性判別手段と、
   前記過電圧検出手段による過電圧検出時に前記インバータの全てのスイッチング素子をオフさせる処理と、前記インバータの全相の上アームスイッチング素子をオンさせて前記固定子巻線を短絡させる処理と、前記極性判別手段により検出した相電流の極性が負である相の上アームスイッチング素子をオフさせる処理と、残りの相の上アームスイッチング素子をオフさせることにより全相の上アームスイッチング素子をオフ状態にして前記固定子巻線の短絡を停止する処理と、を順次実行する制御手段と、
   を有することを特徴としたモータ駆動システム。
5. 請求項１に記載したモータ駆動システムにおいて、
   前記制御手段は、
   全相の下アームスイッチング素子をオン状態にして前記固定子巻線を短絡させている前記インバータに対して、
   前記極性判別手段により検出した相電流の極性が正である相の下アームスイッチング素子をオフさせる処理と、残りの相の下アームスイッチング素子をオフさせることにより全相の下アームスイッチング素子をオフ状態にして前記固定子巻線の短絡を停止する処理と、を順次実行することを特徴としたモータ駆動システム。
6. 請求項２に記載したモータ駆動システムにおいて、
   前記制御手段は、
   全相の上アームスイッチング素子をオン状態にして前記固定子巻線を短絡させている前記インバータに対して、
   前記極性判別手段により検出した相電流の極性が負である相の上アームスイッチング素子をオフさせる処理と、残りの相の上アームスイッチング素子をオフさせることにより全相の上アームスイッチング素子をオフ状態にして前記固定子巻線の短絡を停止する処理と、を順次実行することを特徴としたモータ駆動システム。
7. 請求項１〜６の何れか１項に記載したモータ駆動システムにおいて、
   前記制御手段は、
   前記平滑コンデンサの両端電圧、前記相電流、前記交流モータの回転速度のうち一つ以上の入力情報を用いて速度制御またはトルク制御を行うことにより前記駆動パルスを生成することを特徴としたモータ駆動システム。

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