JP2021065015A - モータ駆動装置およびモータ駆動方法 - Google Patents

モータ駆動装置およびモータ駆動方法 Download PDF

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Abstract

【課題】故障時においてもモータの速度を検出してフェイルセーフ制御を解除するか否かを決定可能とする。【解決手段】上アームゲート駆動回路と、下アームゲート駆動回路と、第１電源からの電力供給を受ける第１回転検出部と、第２電源からの電力供給を受ける第２回転検出部と、第１回転検出部からの検出信号を用いて、上アームゲート駆動回路および下アームゲート駆動回路のうち少なくとも第１電源からの電力供給を受けるゲート駆動回路に対するフェイルセーフ制御を行う第１フェイルセーフ回路と、第２回転検出部からの検出信号を用いて、上アームゲート駆動回路および下アームゲート駆動回路のうち少なくとも第２電源からの電力供給を受けるゲート駆動回路に対するフェイルセーフ制御を行う第２フェイルセーフ回路とを備えるモータ駆動装置を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、モータ駆動装置およびモータ駆動方法に関する。
モータ、およびモータを駆動するインバータを有する電機システムは、例えばハイブリッド自動車および電気自動車等の電動車両に用いられる。このような電機システムにおいて、インバータ制御回路は、通常、車両から低圧（例えば１２Ｖ）の電源供給を受ける。特許文献１は、故障により低圧電源が喪失した場合でもモータを制御または調節するために、モータ駆動用の高圧電源から変換した直流電圧をモーターコントロール装置に供給する技術を開示する。また、特許文献１および２は、モーターコントロール装置が、インバータ内の全ての上アーム側スイッチング素子または全ての下アーム側スイッチング素子をオンとしてモータを短絡させる技術を開示する。また、特許文献３は、全ての上アーム側スイッチング素子と全ての下アーム側スイッチング素子とを交互にオンする電力変換装置を開示する。また、特許文献４は、モータに流れる電流をパワー半導体素子の電流検出端子に流れる電流を用いて検出する技術を開示する。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］ 特開２０００−１４１８４号公報
［特許文献２］ 特開２０１７−１４７８０６号公報
［特許文献３］ 国際公開第２０１６／１３６８１５号
［特許文献４］ 特開２０１４−１３８５３８号公報
故障発生時に、全ての上アーム側スイッチング素子または全ての下アーム側スイッチング素子をオンする等によりモータを短絡すると、車両を牽引する場合等において回生トルクが発生して牽引の妨げとなりうる。また、短絡電流によってインバータまたはモータが過度に発熱してしまう可能性がある。
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、モータ駆動装置を提供する。モータ駆動装置は、モータを駆動するためのインバータが有する上アーム側スイッチング素子のゲートを駆動する上アームゲート駆動回路と、インバータが有する下アーム側スイッチング素子のゲートを駆動する下アームゲート駆動回路とを備えてよい。モータ駆動装置は、第１電源からの電力供給を受けて、モータの回転を検出する第１回転検出部を備えてよい。モータ駆動装置は、第２電源からの電力供給を受けて、モータの回転を検出する第２回転検出部を備えてよい。モータ駆動装置は、第１回転検出部からの検出信号を用いて、上アームゲート駆動回路および下アームゲート駆動回路のうち少なくとも第１電源からの電力供給を受けるゲート駆動回路に対するフェイルセーフ制御を行う第１フェイルセーフ回路を備えてよい。モータ駆動装置は、第２回転検出部からの検出信号を用いて、上アームゲート駆動回路および下アームゲート駆動回路のうち少なくとも第２電源からの電力供給を受けるゲート駆動回路に対するフェイルセーフ制御を行う第２フェイルセーフ回路を備えてよい。
第２電源は、第１電源に対して絶縁されてよい。
インバータは、直流母線が第２電源に接続されてよい。
第１フェイルセーフ回路は、少なくとも第１電源からの電力供給を受け、第２フェイルセーフ回路は、少なくとも第２電源からの電力供給を受けてよい。
第１電源からの電力供給が失われた場合に、第２フェイルセーフ回路は、第２電源からの電力供給を受けて、上アームゲート駆動回路および下アームゲート駆動回路のうち少なくとも第２電源からの電力供給を受けるゲート駆動回路に対するフェイルセーフ制御を行ってよい。
第２回転検出部は、上アーム側スイッチング素子または下アーム側スイッチング素子の電流検出端子からの電流検出信号に基づいてモータの回転を検出してよい。
第２回転検出部は、下アーム側スイッチング素子の電流検出端子からの電流検出信号に基づいてモータの回転を検出してよい。第２フェイルセーフ回路は、フェイルセーフ制御において、複数の下アーム側スイッチング素子を交互に全てオンまたは全てオフにしてよい。第２フェイルセーフ回路は、フェイルセーフ制御において、第２回転検出部が電流検出信号をセンスする場合に複数の下アーム側スイッチング素子を全てオンする期間を、第２回転検出部が電流検出信号をセンスしない場合に複数の下アーム側スイッチング素子を全てオンする期間よりも長くしてよい。
第２回転検出部は、下アーム側スイッチング素子の電流検出端子からの電流検出信号に基づいてモータの回転を検出してよい。第１フェイルセーフ回路および第２フェイルセーフ回路の少なくとも１つは、フェイルセーフ制御において、複数の上アーム側スイッチング素子と複数の下アーム側スイッチング素子とを交互に全てオンにしてよい。第１フェイルセーフ回路および第２フェイルセーフ回路の少なくとも１つは、フェイルセーフ制御において、第２回転検出部が電流検出信号をセンスする場合に複数の下アーム側スイッチング素子を全てオンする期間を、複数の上アーム側スイッチング素子を全てオンする期間よりも長くしてよい。
第１フェイルセーフ回路および第２フェイルセーフ回路の少なくとも１つは、フェイルセーフ制御において、複数の上アーム側スイッチング素子と複数の下アーム側スイッチング素子とを交互に全てオンにしてよい。第１フェイルセーフ回路および第２フェイルセーフ回路の少なくとも１つは、フェイルセーフ制御において、第１回転検出部または第２回転検出部により検出されるモータの回転速度が低下した場合に、複数の上アーム側スイッチング素子と複数の下アーム側スイッチング素子とを交互に全てオンにする周波数を低下させてよい。
本発明の第２の態様においては、モータ駆動方法を提供する。モータ駆動方法において、第１電源からの電力供給を受ける第１回転検出部が、モータの回転を検出してよい。モータ駆動方法において、第２電源からの電力供給を受ける第２回転検出部が、モータの回転を検出してよい。モータ駆動方法において、第１フェイルセーフ回路が、第１回転検出部からの検出信号を用いて、モータを駆動するためのインバータが有する上アーム側スイッチング素子のゲートを駆動する上アームゲート駆動回路およびインバータが有する下アーム側スイッチング素子のゲートを駆動する下アームゲート駆動回路のうち少なくとも第１電源からの電力供給を受けるゲート駆動回路に対するフェイルセーフ制御を行ってよい。モータ駆動方法において、第２フェイルセーフ回路が、第２回転検出部からの検出信号を用いて、上アームゲート駆動回路および下アームゲート駆動回路のうち少なくとも第２電源からの電力供給を受けるゲート駆動回路に対するフェイルセーフ制御を行ってよい。
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
本実施形態に係る電機システムの構成を示す。 本実施形態に係る速度検出部の構成の一例を示す。 スイッチング素子のオン状態における電流検出端子の出力特性の一例を示す。 スイッチング素子のオン状態における速度検出方法の一例を示す。 スイッチング素子のオフ状態における電流検出端子の出力特性の一例を示す。 スイッチング素子のオフ状態における速度検出方法の一例を示す。 本実施形態に係る第２フェイルセーフ回路の一例を示す。 本実施形態に係るゲート駆動回路の一例を示す。 本実施形態に係る電機システムの動作波形の一例を示す。 本実施形態の変形例に係る電機システムを示す。 本実施形態の変形例に係る電機システムの動作波形の第１例を示す。 本実施形態の変形例に係る電機システムの動作波形の第２例を示す。 本実施形態の変形例に係る電機システムの動作波形の第３例を示す。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図１は、本実施形態に係る電機システム２００の構成を示す。電機システム２００は、故障時においてもモータＰＭの回転速度を検出し、回転速度に応じてモータの短絡を解除するか否かを決定することを可能とする。これにより、電機システム２００は、モータの短絡が不要に継続して、回生トルクによる不要な制動、および、インバータまたはモータの不要な発熱が発生することを抑制することができる。
電機システム２００は、主バッテリ１と、スイッチ２と、直流母線コンデンサ３と、補機バッテリ６と、モータＰＭと、１または複数の電流センサ１００と、速度センサ１０１と、インバータ２１０と、モータ駆動装置２２０とを備える。主バッテリ１は、例えば４００Ｖの電源であり、インバータ２１０の直流母線における正側および負側の間に接続されて、モータＰＭに供給する電力を発生する。
スイッチ２は、主バッテリ１と、直流母線コンデンサ３およびインバータ２１０との間に設けられ、主バッテリ１を直流母線コンデンサ３およびインバータ２１０と接続するか否かを切り換える。一例として、スイッチ２は、電機システム２００または電機システム２００を搭載する車両が始動されたこと等に応じてオン状態に切り換えられ、電機システム２００または電機システム２００を搭載する車両の故障または異常が発生したこと、またはモータＰＭ側からの回生に伴い直流母線間の電圧が上限電圧を超えたこと等に応じてオフ状態に切り換えられてよい。また、スイッチ２は、補機バッテリ６からの電力供給が遮断されたこと、すなわち例えば補機バッテリ６から供給される電圧が予め定められた下限電圧以下となったことに応じて、オフ状態に切り換えられてよい。
直流母線コンデンサ３は、スイッチ２よりもインバータ２１０側において正側および負側の直流母線間に接続される。ここで、主バッテリ１および直流母線コンデンサ３は、第２電源の一例である。直流母線コンデンサ３は、直流母線電圧を安定化させると共に、インバータ２１０側へと供給する電流の変動を吸収する。
補機バッテリ６は、例えば１２Ｖの電源であり、モータ駆動装置２２０に供給する電力を発生する。ここで、補機バッテリ６は、第１電源の一例である。補機バッテリ６は、電機システム２００を搭載する車両等に設けられたその他の機器（セルモータおよび電装品等）に接続され、これらの機器に電力を供給してもよい。補機バッテリ６の負側であるグランドＧＮＤ＿Ｎ１は、車両のボディに接地されてよく、主バッテリ１および直流母線コンデンサ３とは絶縁される。
電源回路１３は、直流母線間に接続され、直流母線コンデンサ３からの電力供給を受けて、正側の直流母線の電圧を降下させた電源電圧ＶＨＶ＿２を出力する。ここで、電源電圧ＶＨＶ＿２は、負側の直流母線の電位（すなわち図中グランドＧＮＤ＿Ｎ２の電位）を基準電位とし、例えばグランドＧＮＤ＿Ｎ２の電位＋１２Ｖの電位を有してよい。電源回路１３は、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ等の直流電圧変換器であり、主バッテリ１および直流母線コンデンサ３とは非絶縁であってよい。
モータＰＭは、一例として３相の永久磁石（ＰＭ：Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）モータである。これに代えて、モータＰＭは、異なる相数を有してもよく、電力の供給を受けて回転する他の種類のモータであってもよい。本実施形態において、モータＰＭは、電機システム２００を搭載する車両の車輪を回転させる。
１または複数の電流センサ１００は、モータＰＭに対して接続される１または複数の配線の一部または全てに設けられ、対応する配線に流れる電流を検出する。電流センサ１００は、ＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）方式等の、測定対象の配線とは非接触で電流を測定する電流センサであってよい。速度センサ１０１は、第１回転検出部の一例であり、補機バッテリ６からの電力供給を受けて、モータＰＭの回転を検出する。速度センサ１０１は、モータＰＭの回転角度を検出する回転速度センサまたは回転角センサ等であってよい。
インバータ２１０は、直流母線間に接続され、直流母線電圧を、モータＰＭを駆動する交流電圧（本実施形態において３相交流電圧）に変換してモータＰＭに供給する。インバータ２１０は、モータＰＭの各相に対応して、複数の上アーム側スイッチング素子４ａ〜ｃ（以下、「上アーム側スイッチング素子４」とも示す。）のそれぞれと、複数の下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃ（以下、「下アーム側スイッチング素子５」とも示す。）のそれぞれとを有する。各上アーム側スイッチング素子４および各下アーム側スイッチング素子５は、パワー半導体素子であってよく、一例として、主端子としてコレクタおよびエミッタを有し、制御端子としてゲートを有するＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）である。これに代えて、各上アーム側スイッチング素子４および各下アーム側スイッチング素子５は、主端子としてドレインおよびソースを有し、制御端子としてゲートを有するＭＯＳＦＥＴであってよい。
上アーム側スイッチング素子４ａおよび下アーム側スイッチング素子５ａは、正側の直流母線および負側の直流母線の間に直流母線コンデンサ３と並列にこの順に主端子間が接続され、上アーム側スイッチング素子４ａおよび下アーム側スイッチング素子５ａの間にモータＰＭの第１相端子（Ｕ相端子）が接続される。上アーム側スイッチング素子４ｂおよび下アーム側スイッチング素子５ｂと、上アーム側スイッチング素子４ｃおよび下アーム側スイッチング素子５ｃとは、上アーム側スイッチング素子４ａおよび下アーム側スイッチング素子５ａと同様に直流母線間に主端子間が接続され、上アーム側スイッチング素子４ｂおよび下アーム側スイッチング素子５ｂの間にモータＰＭの第２相端子（Ｖ相端子）、上アーム側スイッチング素子４ｃおよび下アーム側スイッチング素子５ｃの間にモータＰＭの第３相端子（Ｗ相端子）が接続される。
各上アーム側スイッチング素子４および各下アーム側スイッチング素子５は、スイッチング素子本体に逆接続されたフリーホイールダイオードを有してよい。ここで、各上アーム側スイッチング素子４および各下アーム側スイッチング素子５がＭＯＳＦＥＴの場合、フリーホイールダイオードは、寄生ダイオードであってもよい。
各上アーム側スイッチング素子４および下アーム側スイッチング素子５のうちの少なくとも１つは、電流検出端子を有する。本実施形態においては、下アーム側スイッチング素子の１つ（例えば下アーム側スイッチング素子５ａ）は電流検出端子を有する。電流検出端子は、主端子間に流れる電流に応じた電流検出用の小電流を流す。例えばＩＧＢＴの場合、ＩＧＢＴに流れる電流を検出するために、センスエミッタ端子を有するものがある。このようなセンスエミッタ端子は、電流検出端子として利用することができる。
ここで、スイッチング素子がオフの場合には、電流を検出する対象となる下アーム側スイッチング素子５ａは、スイッチング素子本体では電流を流さないが、フリーホイールダイオードを介して負側の直流母線からモータＰＭへと電流を流しうる。このため、本実施形態においては、下アーム側スイッチング素子５ａは、フリーホイールダイオードと並列に電流検出用の小型のダイオードを有し、センスエミッタ端子および電流検出用のダイオードのアノードを接続した端子を電流検出端子として有する。このような電流検出端子には、下アーム側スイッチング素子５ａのセンスエミッタ端子に流れる電流および電流検出用のダイオードに流れる電流を合せた電流、すなわちフリーホイールダイオードを含む下アーム側スイッチング素子５ａ全体に流れる電流に応じたセンス電流が流れる。なお、センス電流は、定常状態においては下アーム側スイッチング素子５ａ全体に流れる電流にある程度比例しうるが、過渡状態においては必ずしも比例しない。インバータ２１０は、このようなセンス電流に応じた電流検出信号をモータ駆動装置２２０へと供給する。一例として、電流検出信号は、センス電流を予め定められた抵抗値を有するセンス抵抗に流すことによって得られる、センス電流に応じた大きさの電圧を有する信号である。なお、下アーム側スイッチング素子５ａは、フリーホイールダイオード電流の大きさと電流検出用のダイオードに流れる電流の大きさとの比率が、スイッチング素子本体におけるエミッタに流れる電流の大きさとセンスエミッタに流れる電流の大きさとの比率と実質的に同一になるように設計されてよい。
モータ駆動装置２２０は、インバータ２１０に接続され、電源回路１３および補機バッテリ６からの電力供給を受けてインバータ２１０を制御する。モータ駆動装置２２０は、制御回路７と、第１フェイルセーフ回路８と、故障検出回路１５と、複数の上アーム電源回路９ａ〜ｃと、複数の上アームゲート駆動回路１２ａ〜ｃと、下アーム電源回路１０と、電源回路１３と、速度検出部２２と、第２フェイルセーフ回路１４と、複数のゲート駆動回路２１ａ〜ｃとを有する。
制御回路７は、補機バッテリ６の負側のグランドＧＮＤ＿Ｎ１の電位を基準電位とし、補機バッテリ６からの電力供給を受ける。制御回路７は、モータ制御用のマイクロコントローラ若しくはプロセッサ等のＣＰＵ、またはＣＰＵを含むコンピュータ等によって実現されてよい。これに代えて、制御回路７は、ハードウェア回路によって実現されてもよい。制御回路７は、モータＰＭを駆動するトルクを指定するトルク指令τ＊を車両のＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）等のコンピュータ（不図示）から受け取り、トルク指令τ＊に応じたトルクを発生させるようにモータＰＭを駆動させるためのゲート駆動指令Ｇｕ＿ＬＶ１、Ｇｖ＿ＬＶ１、Ｇｗ＿ＬＶ１、Ｇｘ＿ＬＶ１、Ｇｙ＿ＬＶ１、およびＧｚ＿ＬＶ１を生成して出力する。Ｇｕ＿ＬＶ１、Ｇｖ＿ＬＶ１、Ｇｗ＿ＬＶ１、Ｇｘ＿ＬＶ１、Ｇｙ＿ＬＶ１、およびＧｚ＿ＬＶ１は、順に上アーム側スイッチング素子４ａ、上アーム側スイッチング素子４ｂ、上アーム側スイッチング素子４ｃ、下アーム側スイッチング素子５ａ、下アーム側スイッチング素子５ｂ、および下アーム側スイッチング素子５ｃに対応するゲート駆動指令である。本実施形態において、制御回路７は、トルク指令τ＊によって指定されたトルクでモータＰＭを回転させるための３相交流電流を発生させることをインバータ２１０に指示するゲート駆動指令を出力する。
第１フェイルセーフ回路８は、グランドＧＮＤ＿Ｎ１の電位を基準電位とし、少なくとも補機バッテリ６から電力供給を受ける。本実施形態において、第１フェイルセーフ回路８は、補機バッテリ６からの電力供給を受けるが主バッテリ１および直流母線コンデンサ３からの電力供給は受けない。第１フェイルセーフ回路８は、速度センサ１０１からの検出信号を用いて、上アームゲート駆動回路１２ａ〜ｃおよびゲート駆動回路２１ａ〜ｃのうち少なくとも補機バッテリ６からの電力供給を受けるゲート駆動回路に対するフェイルセーフ制御を行う。本実施形態において、第１フェイルセーフ回路８は、速度センサ１０１からの電力供給を受ける上アームゲート駆動回路１２ａ〜ｃのフェイルセーフ制御を行う。本実施形態においては、ゲート駆動回路２１ａ〜ｃも速度センサ１０１からの電力供給を受けることから、第１フェイルセーフ回路８は、ゲート駆動回路２１ａ〜ｃのフェイルセーフ制御も行う。
具体的には、第１フェイルセーフ回路８は、制御回路７からのゲート駆動指令Ｇｕ＿ＬＶ１、Ｇｖ＿ＬＶ１、Ｇｗ＿ＬＶ１、Ｇｘ＿ＬＶ１、Ｇｙ＿ＬＶ１、およびＧｚ＿ＬＶ１を入力し、通常運転においてはゲート駆動指令Ｇｕ＿ＬＶ１、Ｇｖ＿ＬＶ１、Ｇｗ＿ＬＶ１、Ｇｘ＿ＬＶ１、Ｇｙ＿ＬＶ１、およびＧｚ＿ＬＶ１の値を変えずにゲート駆動指令Ｇｕ＿ＬＶ２、Ｇｖ＿ＬＶ２、Ｇｗ＿ＬＶ２、Ｇｘ＿ＬＶ２、Ｇｙ＿ＬＶ２、およびＧｚ＿ＬＶ２として出力する。これにより、インバータ２１０は、制御回路７の制御に応じてモータＰＭを駆動する。フェイルセーフ動作において、第１フェイルセーフ回路８は、モータＰＭの回転速度が閾値以上である場合に、上アーム側スイッチング素子４ａ〜ｃを全てオン状態とすること、および下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃの全てをオン状態にすることの少なくとも１つを含むフェイルセーフ制御をインバータ２１０に対して行ってよい。
故障検出回路１５は、制御回路７に接続され、補機バッテリ６からの電力供給を受ける。故障検出回路１５は、制御回路７を監視して制御回路７の故障または異常を検出し、故障または異常の種類に応じて制御回路７のリセットおよび再起動する。また、故障または異常の種類によっては、故障検出回路１５は、第１フェイルセーフ回路８に対してフェイルセーフ制御を行うことを指示する。
上アーム電源回路９ａ〜ｃのそれぞれは、補機バッテリ６からの電力供給を受けて、補機バッテリ６からの電源電圧を、上アーム側スイッチング素子４ａ〜ｃのそれぞれを制御するための電源電圧に変換する。ここで、上アーム電源回路９ａは、上アーム側スイッチング素子４ａにおける下アーム側スイッチング素子５ａ側の主端子（本実施形態における上アーム側スイッチング素子４ａのエミッタ端子）を基準電位（グランドＧＮＤ＿Ｕ）とする電圧を、上アーム側スイッチング素子４ａを制御するための電源電圧（例えばＧＮＤ＿Ｕの電位＋１２Ｖ）として出力する。上アーム電源回路９ｂは、グランドＧＮＤ＿Ｖを基準電位とする電圧を、上アーム側スイッチング素子４ｂを制御するための電源電圧として出力する。上アーム電源回路９ｃは、グランドＧＮＤ＿Ｗを基準電位とする電圧を、上アーム側スイッチング素子４ｃを制御するための電源電圧として出力する。上アーム電源回路９ａ〜ｃのそれぞれは、一例として絶縁トランスを含む絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータであってよい。
上アームゲート駆動回路１２ａ〜ｃは、第１フェイルセーフ回路８に接続され、補機バッテリ６と、上アーム電源回路９ａ〜ｃから電力供給を受ける。そして、上アームゲート駆動回路１２ａ〜ｃは、第１フェイルセーフ回路８からのゲート駆動指令に基づいて上アーム側スイッチング素子４ａ〜ｃのゲートを駆動する。より具体的には、上アームゲート駆動回路１２ａは、電気的に絶縁しつつ信号を伝送するフォトカプラ等の絶縁素子を含み、補機バッテリ６の基準電位（グランドＧＮＤ＿Ｎ１）を基準電位とするゲート駆動指令Ｇｕ＿ＬＶ２を、グランドＧＮＤ＿Ｕを基準電位とするゲート駆動指令ＧｕＯ＿ＨＶに昇圧して上アーム側スイッチング素子４ａのゲートへと出力する。上アームゲート駆動回路１２ｂおよび上アームゲート駆動回路１２ｃも同様である。
下アーム電源回路１０は、補機バッテリ６からの電力供給を受けて、グランドＧＮＤ＿Ｎ１を基準電位とする補機バッテリ６の電源電圧を、グランドＧＮＤ＿Ｎ２を基準電位とする電源電圧ＶＨＶ＿１（例えばグランドＧＮＤ＿Ｎ２の電位＋１２Ｖ）に変換する。下アーム電源回路１０は、絶縁トランスを含む絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータであってよい。
下アーム電源回路１０からの電源電圧ＶＨＶ＿１および電源回路１３からの電源電圧ＶＨＶ＿２は、例えば整流ダイオード等の整流素子をそれぞれ介して合流されて、電源電圧ＶＨＶとなる。これにより、電源電圧ＶＨＶは、電源電圧ＶＨＶ＿１および電源電圧ＶＨＶ＿２のいずれかが失われても喪失しないように冗長化される。
速度検出部２２は、第２回転検出部の一例であり、少なくとも第２電源からの電力供給を受けて、モータＰＭの回転を検出する。速度検出部２２は、電源電圧ＶＨＶからの電力供給を受け、上アーム側スイッチング素子４または下アーム側スイッチング素子５の電流検出端子からの電流検出信号に基づいて、モータＰＭの回転を検出する。本実施形態において、速度検出部２２は、下アーム側スイッチング素子５ａの電流検出端子からの電流検出信号に基づいて、モータの回転速度に応じた検出信号Ｎ＿ｄｅｔを出力する。
第２フェイルセーフ回路１４は、速度検出部２２に接続され、少なくとも第２電源からの電力供給を受ける。本実施形態において、第２フェイルセーフ回路１４は、電源電圧ＶＨＶからの電力供給を受ける。第２フェイルセーフ回路１４は、速度検出部２２からの検出信号Ｎ＿ｄｅｔを用いて、上アームゲート駆動回路１２ａ〜ｃおよびゲート駆動回路２１ａ〜ｃのうち少なくとも電源回路１３からの電力供給を受けるゲート駆動回路（本実施形態においてはゲート駆動回路２１ａ〜ｃ）に対するフェイルセーフ制御を行う。
本実施形態において、第２フェイルセーフ回路１４は、下アーム電源回路１０から電源電圧ＶＨＶ＿１を入力し、電源電圧ＶＨＶ＿１が下限電圧以下となったことに応じて補機バッテリ６からの電力供給が失われたことを検出する。そして、第２フェイルセーフ回路１４は、補機バッテリ６からの電力供給が失われた場合に、電源回路１３を介して直流母線コンデンサ３からの電力供給を受けるゲート駆動回路２１ａ〜ｃに対するフェイルセーフ制御を行う。本実施形態において、第２フェイルセーフ回路１４は、通常動作中はゲート駆動指令Ｇｘｙｚ＿ＨＶを論理Ｌ（ロー）とする。第２フェイルセーフ回路１４は、フェイルセーフ制御においては、モータＰＭの回転速度が閾値以上の場合にゲート駆動指令Ｇｘｙｚ＿ＨＶを論理Ｈ（ハイ）として下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃの全てをオンとする。
ゲート駆動回路２１ａ〜ｃは、第１フェイルセーフ回路８および第２フェイルセーフ回路１４に接続され、補機バッテリ６および電源電圧ＶＨＶからの電力供給を受ける。そして、ゲート駆動回路２１ａ〜ｃは、下アームゲート駆動回路として機能し、第１フェイルセーフ回路８および第２フェイルセーフ回路１４からのゲート駆動指令に基づいて下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃのゲートを駆動する。ゲート駆動回路２１ａは、第２フェイルセーフ回路１４からのゲート駆動指令Ｇｘｙｚ＿ＨＶが論理Ｌの場合に第１フェイルセーフ回路８からのゲート駆動指令Ｇｘ＿ＬＶ２に基づいて下アーム側スイッチング素子５ａをオンまたはオフにスイッチングさせ、ゲート駆動指令Ｇｘｙｚ＿ＨＶが論理Ｈの場合に下アーム側スイッチング素子５ａをオンとするゲート駆動指令ＧｘＯ＿ＨＶを下アーム側スイッチング素子５ａへと出力する。ここで、ゲート駆動指令ＧｘＯ＿ＨＶは、主バッテリ１および直流母線コンデンサ３の基準電位（グランドＧＮＤ＿Ｎ２）を基準電位とする信号である。速度検出部２２ｂおよび速度検出部２２ｃも同様の機能を有する。
以上に示した電機システム２００によれば、上アームゲート駆動回路１２ａ〜ｃおよび速度センサ１０１は補機バッテリ６からの電力供給を受けるが、電源回路１３からの電力供給を受けない。これに対し、速度検出部２２、第２フェイルセーフ回路１４、およびゲート駆動回路２１ａ〜ｃは、電源回路１３からの電力供給を受ける。これにより、電機システム２００は、補機バッテリ６が喪失して上アームゲート駆動回路１２ａ〜ｃが動作せず速度センサ１０１により回転速度が検出できなくなった場合においても、電源回路１３からの電力供給を受ける速度検出部２２および第２フェイルセーフ回路１４によってフェイルセーフ制御を行うことができる。
また、下アーム電源回路１０および電源回路１３は、速度検出部２２、第２フェイルセーフ回路１４、およびゲート駆動回路２１ａ〜ｃに対して電力を供給するが、制御回路７、第１フェイルセーフ回路８、上アームゲート駆動回路１２ａ〜ｃ、および故障検出回路１５に対しては電力を供給しないので、下アーム電源回路１０および電源回路１３の最大出力電力を抑えることができ、下アーム電源回路１０および電源回路１３を小型化することができる。
なお、本実施形態においては、下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃを制御する回路部分の電源は、電源回路１３および補機バッテリ６により冗長化されている。これに代えて、下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃを制御する回路部分には、補機バッテリ６からは電力を供給しない構成をとることも可能である。この場合、電機システム２００は、補機バッテリ６からの電力供給が失われた場合にはフェイルセーフ制御を上アーム側スイッチング素子４ａ〜ｃに対して行い、主バッテリ１および直流母線コンデンサ３からの電力供給が失われた場合にはフェイルセーフ制御を下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃに対して行ってよい。また、下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃを制御する回路部分の電源を冗長化するのに代えて、上アーム側スイッチング素子４ａ〜ｃを制御する回路部分の電源を冗長化し、速度検出部２２および第２フェイルセーフ回路１４を上アームゲート駆動回路１２ａ〜ｃの制御に用いてもよい。
図２は、本実施形態に係る速度検出部２２の構成の一例を示す。速度検出部２２は、基準電圧源２６と、コンパレータＣＭＰ１と、モノステーブル回路２４と、ローパスフィルタ２５とを含む。基準電圧源２６は、下アーム側スイッチング素子５ａの電流検出端子からの電流検出信号Ｉｘの電圧値と比較すべき基準電圧を発生する。本実施形態において、電流検出信号Ｉｘは、下アーム側スイッチング素子５ａのスイッチング素子本体およびフリーホイールダイオードを流れる電流の和に応じた電圧値を有し、モータＰＭの回転周期に応じた周期を有する正弦波状の信号となる。このような信号の周波数を検出するべく、基準電圧源２６は、一例として０Ｖまたは０Ｖから予め定められた微小なマージンを減じた電圧を発生する。
コンパレータＣＭＰ１は、電流検出信号Ｉｘと基準電圧源２６が発生する基準電圧とを比較し、比較結果に応じた論理信号を出力する。電流検出信号ＩｘがモータＰＭの回転周期に応じた周期を有することから、コンパレータＣＭＰ１は、モータＰＭの回転周期の１周期毎に論理Ｈの期間および論理Ｌの期間を含む論理信号を出力する。なお、コンパレータＣＭＰ１はヒステリシスを有してよい。
モノステーブル回路２４は、コンパレータＣＭＰ１が出力する論理信号をトリガとして、モノステーブル回路２４の設計に応じて定まる幅のパルスを有するパルス信号を発生する。本実施形態において、モノステーブル回路２４は、コンパレータＣＭＰ１が出力する論理信号の立ち下りエッジ（論理Ｈから論理Ｌへの変化）をトリガとして、パルス信号を発生する。
ローパスフィルタ２５は、モノステーブル回路２４が出力するパルス信号におけるパルスの密度（すなわち論理Ｈの期間の割合）に応じた検出信号Ｎ＿ｄｅｔを発生する。具体的には、モノステーブル回路２４が出力するパルス信号は、モータＰＭの回転周期に応じた周期毎に予め定められた幅のパルスを有するので、モータＰＭの回転周期がより小さい（すなわちモータＰＭの回転速度がより大きい）場合に論理Ｈの期間の割合がより高くなり、モータＰＭの回転周期がより大きい（すなわちモータＰＭの回転速度がより小さい）場合に論理Ｈの期間の割合がより小さくなる。ローパスフィルタ２５は、このようなパルス信号を平滑化することにより、モータＰＭの回転速度がより大きい場合により大きな値（一例として電圧値）となり、モータＰＭの回転速度がより小さい場合により小さな値となる検出信号Ｎ＿ｄｅｔを出力することができる。
図３は、スイッチング素子のオン状態における電流検出端子の出力特性の一例を示す。下アーム側スイッチング素子５ａがオンの場合、下アーム側スイッチング素子５ａは、負側の直流母線からモータＰＭの向き、およびモータＰＭから負側の直流母線の向きのいずれの向きの電流も流しうる。したがって、電流検出信号（図中電流センス信号）は、下アーム側スイッチング素子５ａが流す電流Ｉｃの正負に応じて正または負の値を取る。
図４は、スイッチング素子のオン状態における速度検出方法の一例を示す。下アーム側スイッチング素子５ａがオンの場合、電流検出信号Ｉｘは、正および負の間で変化し、図４の上側のグラフに示したようにモータＰＭの回転速度に応じた周期の正弦波状の信号波形をとる。基準電圧源２６が０Ｖの基準電圧を発生する場合、コンパレータＣＭＰ１は、電流検出信号Ｉｘが正の場合（０Ｖを超える場合）に論理Ｈとなり、電流検出信号Ｉｘが負または０の場合（０Ｖ以下の場合）に論理Ｌとなる論理信号を出力する。モノステーブル回路２４は、図４の下側のグラフに示したように、この論理信号の立ち下がりエッジ（すなわち電流検出信号Ｉｘが正から負へと変化するタイミング）において、固定幅のパルスを発生する。ローパスフィルタ２５は、このようなパルスを含むパルス信号を平滑化することにより、モータＰＭの回転速度に応じた検出信号Ｎ＿ｄｅｔを発生することができる。
図５は、スイッチング素子のオフ状態における電流検出端子の出力特性の一例を示す。下アーム側スイッチング素子５ａがオフの場合、下アーム側スイッチング素子５ａは、負側の直流母線からモータＰＭの向きへの電流はフリーホイールダイオードおよび電流検出用のダイオードを通して流しうるが、モータＰＭから負側の直流母線の向きの電流は遮断する。したがって、電流検出信号（図中電流センス信号）は、下アーム側スイッチング素子５ａが流す電流Ｉｃが負の場合に負の値を取るが、正の値をとらない。
図６は、スイッチング素子のオフ状態における速度検出方法の一例を示す。下アーム側スイッチング素子５ａがオフの場合、電流検出信号Ｉｘは、正とはならず、図６の上側のグラフに示したようにモータＰＭの回転速度に応じた周期の正弦波状の信号波形のうち上限が０に制限された信号波形をとる。基準電圧源２６が０Ｖからマージンを減じた基準電圧を発生する場合、コンパレータＣＭＰ１は、電流検出信号Ｉｘが略０Ｖの場合に論理Ｈとなり、電流検出信号Ｉｘが負の場合に論理Ｌとなる論理信号を出力する。モノステーブル回路２４は、図６の下側のグラフに示したように、この論理信号の立ち下がりエッジ（すなわち電流検出信号Ｉｘが０からマージンを超えて負へと変化するタイミング）において、固定幅のパルスを発生する。ローパスフィルタ２５は、このようなパルスを含むパルス信号を平滑化することにより、モータＰＭの回転速度に応じた検出信号Ｎ＿ｄｅｔを発生することができる。なお、基準電圧源２６が０Ｖからマージンを減じた基準電圧を発生する場合には、速度検出部２２は、下アーム側スイッチング素子５ａがオンまたはオフのいずれの場合においてもモータＰＭの回転速度を検出することができる。
なお、下アーム側スイッチング素子５ａとして、フリーホイールダイオードと並列に電流検出用の小型のダイオードを有しないものを用いることも有り得る。このような構成においては、下アーム側スイッチング素子５ａがオフの場合には下アーム側スイッチング素子５ａに流れる電流を検出できない。また、下アーム側スイッチング素子５ａがオンの場合に、モータＰＭから負側の直流母線へと流れる電流（正の電流Ｉｃ）は検出できるが、負側の直流母線からモータＰＭへと流れる電流（負の電流Ｉｃ）はフリーホイールダイオードに流れる電流分が検出できない。そこで、速度検出部２２は、例えば基準電圧源２６を０Ｖに正のマージンを加えた電圧として、モノステーブル回路２４が、電流検出信号Ｉｘの信号波形における０以上の部分の信号波形に基づいてパルス信号を発生するようにしてよい。なお、フリーホイールダイオードに流れる電流分が検出できなくとも下アーム側スイッチング素子５ａに流れる電流の正負は正しく検出できる場合には、速度検出部２２は、モノステーブル回路２４が、電流検出信号Ｉｘの負から正等の変化タイミングでパルス信号を発生するようにしてもよい。
図７は、本実施形態に係る第２フェイルセーフ回路１４の一例を示す。第２フェイルセーフ回路１４は、基準電圧源２３と、コンパレータＣＭＰ２と、基準電圧源１９と、コンパレータＣＭＰ３と、論理積素子ＡＮＤ１とを含む。
基準電圧源２３は、基準電圧を発生する。本実施形態において、基準電圧源２３は、モータＰＭの回転速度がフェイルセーフ制御を行う下限の回転速度Ｖｓａｆｅに応じて設定された検出信号Ｎ＿ｄｅｔの閾値電圧Ｖｔｈを発生する。コンパレータＣＭＰ２は、正入力端子（非反転入力端子）が速度検出部２２に接続されて検出信号Ｎ＿ｄｅｔを入力し、負入力端子（反転入力端子）がコンパレータＣＭＰ２基準電圧源２３の基準電圧を入力する。これにより、コンパレータＣＭＰ２は、検出信号Ｎ＿ｄｅｔが閾値電圧Ｖｔｈ以下の場合に論理Ｌ、閾値電圧Ｖｔｈを超えた場合に論理Ｈを出力する。なお、コンパレータＣＭＰ２は、ヒステリシスを有してもよい。
基準電圧源１９は、基準電圧を発生する。本実施形態において、基準電圧源１９は、補機バッテリ６が正常であるか否かの基準となる閾値電圧を発生する。コンパレータＣＭＰ３は、負入力端子（反転入力端子）が下アーム電源回路１０からの電源電圧ＶＨＶ＿１を入力し、正入力端子（非反転入力端子）が基準電圧源１９の基準電圧を入力する。これにより、コンパレータＣＭＰ３は、電源電圧ＶＨＶ＿１が閾値電圧よりも高い場合に論理Ｌ、電源電圧ＶＨＶ＿１が閾値電圧以下の場合（すなわち補機バッテリ６が喪失したと判断した場合）に論理Ｈを出力する。なお、コンパレータＣＭＰ３は、ヒステリシスを有してもよい。
論理積素子ＡＮＤ１は、コンパレータＣＭＰ２の出力およびコンパレータＣＭＰ３の出力の両方が論理Ｈの場合（すなわち論理Ｈと判断する閾値を超える場合）に論理Ｈとなるゲート駆動信号Ｇｘｙｚ＿ＨＶを出力する。これにより、第２フェイルセーフ回路１４は、補機バッテリ６が喪失し、かつ、モータＰＭの回転速度が予め定められた下限値を超えていることに応じて、下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃの全オンによるフェイルセーフ制御を行うべくゲート駆動信号Ｇｘｙｚ＿ＨＶを論理Ｈとする。
図８は、本実施形態に係るゲート駆動回路２１の一例を示す。本図においては、ゲート駆動回路２１ａ〜ｃのうちゲート駆動回路２１ａの構成を代表して説明するが、ゲート駆動回路２１ｂおよびゲート駆動回路２１ｃも同様の構成をとってよい。ゲート駆動回路２１ａは、絶縁回路１８と、バッファＢＵＦ１と、バッファＢＵＦ２と、論理和素子ＯＲ１とを含む。
絶縁回路１８は、絶縁トランスまたはフォトカプラ等を含む。絶縁回路１８は、電源電圧ＶＬＶおよび電源電圧ＶＨＶを受けて、グランドＧＮＤ＿Ｎ１を基準電位とするゲート駆動指令Ｇｘ＿ＬＶ２を、グランドＧＮＤ＿Ｎ２を基準電位とするゲート駆動指令に変換する。
バッファＢＵＦ１は、グランドＧＮＤ＿Ｎ２を基準電位とするゲート駆動指令Ｇｘｙｚ＿ＨＶを整形して出力する。バッファＢＵＦ２は、ゲート駆動指令Ｇｘ＿ＬＶ２を変換したゲート駆動指令を整形して出力する。論理和素子ＯＲ１は、バッファＢＵＦ１の出力およびバッファＢＵＦ２の出力の論理和を出力する。これにより、論理和素子ＯＲ１は、第２フェイルセーフ回路１４からのゲート駆動指令Ｇｘｙｚ＿ＨＶおよび第１フェイルセーフ回路８からのゲート駆動指令Ｇｘ＿ＬＶ２の少なくとも１つが論理Ｈの場合に論理Ｈとなり、いずれも論理Ｌの場合には論理Ｌとなる、グランドＧＮＤ＿Ｎ２を基準電位とするゲート駆動指令ＧｘＯ＿ＨＶを出力する。これにより、絶縁回路１８は、通常動作中は制御回路７からのゲート駆動指令Ｇｘ＿ＬＶ１に応じたゲート駆動指令を下アーム側スイッチング素子５ａに供給し、補機バッテリ６が喪失した場合には第２フェイルセーフ回路１４からのゲート駆動指令Ｇｘｙｚ＿ＨＶを下アーム側スイッチング素子５ａに供給することができる。
図９は、本実施形態に係る電機システムの動作波形の一例を示す。本図においては、上から順に、モータ実速度（毎分の回転数）、コンタクタ（スイッチ２）の状態、速度検出部２２によるモータ速度検出値（すなわち検出信号Ｎ＿ｄｅｔの電圧）、第２フェイルセーフ回路１４が出力するゲート駆動指令Ｇｘｙｚ＿ＨＶ、上アーム側スイッチング素子４ａ〜ｃの状態、下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃの状態、および、常用電源（補機バッテリ６）の状態の時間変化を示す。
時刻ｔ１において、事故または故障等により補機バッテリ６が喪失すると、電機システム２００は、これを検知してスイッチ２をオン状態からオフ状態に切り換える。また、補機バッテリ６が喪失したことに応じて電源電圧ＶＨＶ＿１が閾値電圧以下となる。このため、図７に示した第２フェイルセーフ回路１４において、コンパレータＣＭＰ３は、論理Ｈを出力し、論理積素子ＡＮＤ１は、検出信号Ｎ＿ｄｅｔが閾値電圧Ｖｔｈを超えている間は論理Ｈとなるゲート駆動指令Ｇｘｙｚ＿ＨＶを出力する。なお、スイッチ２をオフ状態とした場合でも、電源回路１３は、直流母線コンデンサ３に充電された電力を用いて電源電圧ＶＨＶ＿２を供給し続けることができる。
上アームゲート駆動回路１２ａ〜ｃは、補機バッテリ６からの電力供給を受けており、補機バッテリ６の喪失に伴って上アーム側スイッチング素子４ａ〜ｃを駆動できなくなる。このため、上アーム側スイッチング素子４ａ〜ｃは、オフ状態となる。ゲート駆動回路２１ａ〜ｃは、冗長化された電源電圧ＶＨＶを受け取り、ゲート駆動指令Ｇｘｙｚ＿ＨＶが論理Ｈとなったことに応じて下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃを全てオン状態とするフェイルセーフ制御を行う。下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃが全てオン状態となってモータＰＭが巻線短絡状態となると、モータＰＭに制動力が働いてモータの回転数が低下していく。
時刻ｔ２において、モータＰＭの回転速度がフェイルセーフ制御を行う下限の回転速度Ｖｓａｆｅ以下となると、検出信号Ｎ＿ｄｅｔは、この回転速度Ｖｓａｆｅに対応して予め設定された閾値電圧Ｖｔｈ以下となる。このため、コンパレータＣＭＰ２の出力は論理Ｈから論理Ｌに変化し、論理積素子ＡＮＤ１が出力するゲート駆動信号Ｇｘｙｚ＿ＨＶは論理Ｈから論理Ｌに変化する。これを受けて、ゲート駆動回路２１ａ〜ｃは、ゲート駆動指令ＧｘＯ＿ＨＶ、ＧｙＯ＿ＨＶ、およびＧｚＯ＿ＨＶを論理Ｌとし、下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃをオフ状態とする。
このように、第２フェイルセーフ回路１４は、補機バッテリ６が喪失した場合においても電源回路１３からの電力供給を受けてモータＰＭの回転を検出する速度検出部２２からの検出信号Ｎ＿ｄｅｔを用いて、電源回路１３からの電力供給を受けるゲート駆動回路２１ａ〜ｃに対するフェイルセーフ制御を行うことができる。また、第１フェイルセーフ回路８は、主バッテリ１および直流母線コンデンサ３からの電力供給が失われた場合においても、補機バッテリ６からの電力供給を受けてモータＰＭの回転を検出する速度センサ１０１を用いて、補機バッテリ６からの電力供給を受ける上アームゲート駆動回路１２ａ〜ｃに対する同様のフェイルセーフ制御を行うことができる。
図１０は、本実施形態の変形例に係る電機システム３００を示す。電機システム３００は、図１に示した電機システム２００の変形例であるから、以下相違点を除き説明を省略する。
電機システム３００は、補機バッテリ６が喪失した場合においても上アーム側スイッチング素子４ａ〜ｃのゲートを駆動できるように冗長電源化したゲート駆動回路２１ｄ〜ｆを採用する。これにより、電機システム３００は、補機バッテリ６が喪失した場合に上アーム側スイッチング素子４ａ〜ｃと下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃとを交互に全オンするフェイルセーフ制御を行うことができる。
電機システム３００は、主バッテリ１と、スイッチ２と、直流母線コンデンサ３と、補機バッテリ６と、電源回路３１３と、モータＰＭと、１または複数の電流センサ１００と、速度センサ１０１と、インバータ２１０と、モータ駆動装置３２０とを備える。ここで、主バッテリ１と、スイッチ２と、直流母線コンデンサ３と、補機バッテリ６と、モータＰＭと、１または複数の電流センサ１００と、速度センサ１０１と、インバータ２１０とは、図１に示した電機システム２００における同じ符号を付した部材と同様であるから説明を省略する。
電源回路３１３は、電源回路１３と同様に直流母線間に接続され、正側の直流母線の電圧を降下させた電圧ＶＨＶ＿２を出力する。また、電源回路３１３は、グランドＧＮＤ＿Ｕを基準電位とする電源電圧ＶＨ＿Ｕ、グランドＧＮＤ＿Ｖを基準電位とする電源電圧ＶＨ＿Ｖ、およびグランドＧＮＤ＿Ｗを基準電位とする電源電圧ＶＨ＿Ｗを出力する。電源回路３１３は、電源電圧ＶＨ＿Ｕ、ＶＨ＿Ｖ、およびＶＨ＿Ｗのそれぞれを生成するために、一例として絶縁トランス等を含む絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータを有してよい。
モータ駆動装置３２０は、モータ駆動装置２２０と同様にインバータ２１０に接続され、電源回路３１３および補機バッテリ６からの電力供給を受けてインバータ２１０を制御する。モータ駆動装置３２０は、制御回路７と、第１フェイルセーフ回路８と、故障検出回路１５と、複数の上アーム電源回路９ａ〜ｃと、下アーム電源回路１０と、速度検出部２２と、第２フェイルセーフ回路３１４と、複数の絶縁回路２７ａ〜ｃと、複数のゲート駆動回路２１ａ〜ｃと、複数のゲート駆動回路２１ｄ〜ｆとを有する。ここで、制御回路７と、第１フェイルセーフ回路８と、故障検出回路１５と、複数の上アーム電源回路９ａ〜ｃと、下アーム電源回路１０と、速度検出部２２と、複数のゲート駆動回路２１ａ〜ｃとは、図１に示したモータ駆動装置２２０における同じ符号を付した部材と同様であるから説明を省略する。
第２フェイルセーフ回路３１４は、速度検出部２２に接続され、少なくとも第２電源からの電力供給を受ける。本変形例において、第２フェイルセーフ回路３１４は、電源電圧ＶＨＶからの電力供給を受ける。第２フェイルセーフ回路３１４は、速度検出部２２からの検出信号Ｎ＿ｄｅｔを用いて、少なくとも電源回路１３からの電力供給を受けるゲート駆動回路２１ａ〜ｆに対するフェイルセーフ制御を行う。
本変形例において、第２フェイルセーフ回路３１４は、下アーム電源回路１０から電源電圧ＶＨＶ＿１を入力し、電源電圧ＶＨＶ＿１が下限電圧以下となったことに応じて補機バッテリ６からの電力供給が失われたことを検出する。そして、第２フェイルセーフ回路３１４は、補機バッテリ６からの電力供給が失われた場合に、ゲート駆動回路２１ａ〜ｃに対するフェイルセーフ制御を行う。第２フェイルセーフ回路３１４は、通常動作中はゲート駆動指令Ｇｘｙｚ＿ＨＶを論理Ｌとする。第２フェイルセーフ回路３１４は、フェイルセーフ制御においては、モータＰＭの回転速度が閾値以上の場合に、ゲート駆動指令Ｇｘｙｚ＿ＨＶを論理Ｈまたは論理Ｌに交互に切り換えることにより、下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃを交互に全てオンまたは全てオフとする。
第２フェイルセーフ回路３１４は、図１０に示したように、ゲート駆動指令Ｇｕｖｗ＿ＨＶをさらに出力してゲート駆動回路２１ｄ〜ｆに対するフェイルセーフ制御を行ってもよい。第２フェイルセーフ回路３１４は、通常動作中はゲート駆動指令Ｇｘｙｚ＿ＨＶおよびゲート駆動指令Ｇｕｖｗ＿ＨＶを論理Ｌとする。第２フェイルセーフ回路３１４は、フェイルセーフ制御においては、モータＰＭの回転速度が閾値以上の場合に、ゲート駆動指令Ｇｘｙｚ＿ＨＶを論理Ｈまたは論理Ｌに交互に切り換えるとともに、ゲート駆動指令Ｇｕｖｗ＿ＨＶをゲート駆動指令Ｇｘｙｚ＿ＨＶの論理否定とすることにより、上アーム側スイッチング素子４ａ〜ｃと下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃとを交互に全てオンにする。一例として、第２フェイルセーフ回路３１４は、第２フェイルセーフ回路１４と、第２フェイルセーフ回路１４の論理積素子ＡＮＤ１が論理Ｌを出力する場合にゲート駆動指令Ｇｘｙｚ＿ＨＶおよびゲート駆動指令Ｇｕｖｗ＿ＨＶを論理Ｌとし、第２フェイルセーフ回路１４の論理積素子ＡＮＤ１が論理Ｈを出力する場合にゲート駆動指令Ｇｘｙｚ＿ＨＶおよびゲート駆動指令Ｇｕｖｗ＿ＨＶを交互に論理Ｈとする制御回路とを含んでよい。
絶縁回路２７ａ〜ｃのそれぞれは、グランドＧＮＤ＿Ｎ２を基準電位とするゲート駆動信号Ｇｕｖｗ＿ＨＶを受け取り、ゲート駆動信号Ｇｕｖｗ＿ＨＶを、グランドＧＮＤ＿Ｕを基準電位とする信号、グランドＧＮＤ＿Ｖを基準電位とする信号、およびグランドＧＮＤ＿Ｗを基準電位とする信号にそれぞれ変換する。絶縁回路２７ａ〜ｃのそれぞれは、フォトカプラ等の絶縁素子によりグランドＧＮＤ＿Ｎ２側とグランドＧＮＤ＿Ｕ、グランドＧＮＤ＿Ｖ、およびグランドＧＮＤ＿Ｗ側とを絶縁しつつゲート駆動信号Ｇｕｖｗ＿ＨＶを伝達する。
ゲート駆動回路２１ｄ〜ｆは、上アームゲート駆動回路として機能する。ゲート駆動回路２１ｄ〜ｆは、図８に示したゲート駆動回路２１ａと同様の構成をとってよい。ゲート駆動回路２１ｄは、第１フェイルセーフ回路８および絶縁回路２７ａに接続されて、補機バッテリ６から電源電圧ＶＬＶ（グランドＧＮＤ＿Ｎ１を基準電位とする）と、電源回路３１３および上アーム電源回路９ａから電源電圧ＶＨ＿Ｕ（グランドＧＮＤ＿Ｕを基準電位とする）とを受ける。ここで、電源回路３１３からの電源電圧および上アーム電源回路９ａからの電源電圧は、例えば整流ダイオード等の整流素子をそれぞれ介して合流されて、電源電圧ＶＨ＿Ｕとなる。これにより、電源電圧ＶＨＶ＿Ｕは、電源回路３１３からの電源電圧および上アーム電源回路９ａからの電源電圧のいずれかが失われても喪失しないように冗長化される。
ゲート駆動回路２１ｄは、絶縁回路２７ａからのゲート駆動指令Ｇｕｖｗ＿ＨＶが論理Ｌの場合に第１フェイルセーフ回路８からのゲート駆動指令Ｇｕ＿ＬＶ２に基づいて上アーム側スイッチング素子４ａをオンまたはオフにスイッチングさせ、ゲート駆動指令Ｇｕｖｗ＿ＨＶが論理Ｈの場合に上アーム側スイッチング素子４ａをオンとするゲート駆動指令ＧｕＯ＿ＨＶを上アーム側スイッチング素子４ａへと出力する。ここで、ゲート駆動指令ＧｕＯ＿ＨＶは、グランドＧＮＤ＿Ｕを基準電位とする信号である。ゲート駆動回路２１ｅ〜ｆも同様の機能を有する。
本変形例によれば、電機システム３００は、上アーム用のゲート駆動回路２１ａ〜ｃおよび下アーム用のゲート駆動回路２１ｄ〜ｆは、補機バッテリ６と、主バッテリ１および直流母線コンデンサ３とから電力供給を受ける。これにより、電機システム３００は、補機バッテリ６が喪失した場合においても、ゲート駆動回路２１ａ〜ｆを用いて上アーム側スイッチング素子４ａ〜ｃおよび下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃを交互に全オンするフェイルセーフ制御を行うことができ、直流母線コンデンサ３に蓄えられた電力の消費を早めることができる。
図１１は、電機システム３００の動作波形の第１例を示す。本図においては、上から順に、モータ実速度（毎分の回転数）、コンタクタ（スイッチ２）の状態、速度検出部２２によるモータ速度検出値（すなわち検出信号Ｎ＿ｄｅｔの電圧）、第２フェイルセーフ回路３１４が出力するゲート駆動指令Ｇｘｙｚ＿ＨＶ、上アーム側スイッチング素子４ａ〜ｃの状態、下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃの状態、および、常用電源（補機バッテリ６）の状態の時間変化を示す。
時刻ｔ１において、事故または故障等により補機バッテリ６が喪失すると、電機システム３００は、これを検知してスイッチ２をオン状態からオフ状態に切り換える。また、補機バッテリ６が喪失したことに応じて電源電圧ＶＨＶ＿１が閾値電圧以下となる。このため、第２フェイルセーフ回路３１４は、検出信号Ｎ＿ｄｅｔが閾値電圧Ｖｔｈを超えていることを条件として、ゲート駆動指令Ｇｕｖｗ＿ＨＶおよびゲート駆動指令Ｇｘｙｚ＿ＨＶを交互に全オンにするフェイルセーフ制御を行う。
本例においては、速度検出部２２は、フェイルセーフ制御中において、予め定められた周期毎または不定期的に、下アーム側スイッチング素子５ａがオンの間に下アーム側スイッチング素子５ａからの電流検出信号をセンスする。ここで、第２フェイルセーフ回路３１４は、速度検出部２２が電流検出信号をセンスする場合に下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃを全てオンする期間を、速度検出部２２が電流検出信号をセンスしない場合に下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃを全てオンする期間よりも長くしてよい。
例えば、時刻ｔ２において、速度検出部２２は、ゲート駆動指令Ｇｘｙｚ＿ＨＶが論理Ｈの間に電流検出信号をセンスする。このために、第２フェイルセーフ回路３１４は、時刻ｔ２において、下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃを全てオンする期間を、時刻ｔ２から次に電流検出信号をセンスする時刻ｔ３までの間における、電流検出信号をセンスしない場合に下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃを全てオンする期間よりも長くしてよい。ここで、第２フェイルセーフ回路３１４は、速度検出部２２が電流検出信号をセンスする場合に下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃを全てオンする期間を、速度検出部２２が電流検出信号をセンスしない場合に下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃを全てオンする全ての期間よりも長くしてもよく、図１１に示したように速度検出部２２が電流検出信号をセンスしない場合に下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃを全てオンする少なくとも１つの期間よりも長くしてもよい。なお、第２フェイルセーフ回路３１４は、本図に示したように、電流検出信号をセンスするタイミングを含む期間において上アーム側スイッチング素子４ａ〜ｃおよび下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃを交互に繰り返し全オンする周波数を、電流検出信号をセンスするタイミングを含まない期間において上アーム側スイッチング素子４ａ〜ｃおよび下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃを交互に繰り返し全オンする周波数よりも低くしてよい。時刻ｔ３およびｔ４において、速度検出部２２は、時刻ｔ２と同様に下アーム側スイッチング素子５ａがオンの間に下アーム側スイッチング素子５ａからの電流検出信号をセンスする。
時刻ｔ５において、モータＰＭの回転速度がフェイルセーフ制御を行う下限の回転速度Ｖｓａｆｅ以下となると、検出信号Ｎ＿ｄｅｔは、この回転速度Ｖｓａｆｅに応じて予め設定された閾値電圧Ｖｔｈ以下となる。このため、第２フェイルセーフ回路３１４は、上アーム側スイッチング素子４ａ〜ｃおよび下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃを交互に全オンするフェイルセーフ制御を終了する。
これにより、第２フェイルセーフ回路３１４は、下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃが全てオンとなってから速度検出部２２が電流検出信号をセンスするまでの時間をより長く確保することができ、下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃの切り替え後に電流検出信号がより安定してから電流検出信号をセンスすることができるようにする。このため、直流母線コンデンサ３を急速に放電すべく上アーム側スイッチング素子４ａ〜ｃおよび下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃを高速に交互に全オンとした場合においても、速度検出部２２は、スイッチングに伴うノイズが低減してから電流検出信号をセンスすることができる。なお、速度検出部２２が上アーム側スイッチング素子４ａ〜ｃの少なくとも１つに流れる電流を検出する場合、第２フェイルセーフ回路３１４は、フェイルセーフ制御において、速度検出部２２が電流検出信号をセンスする場合に上アーム側スイッチング素子４ａ〜ｃを全てオンする期間を、速度検出部２２が電流検出信号をセンスしない場合に上アーム側スイッチング素子４ａ〜ｃを全てオンする期間よりも長くしてよい。
図１２は、電機システム３００の動作波形の第２例を示す。本図の例は、第２フェイルセーフ回路３１４が出力するゲート駆動指令Ｇｘｙｚ＿ＨＶ、上アーム側スイッチング素子４ａ〜ｃの状態、および下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃの状態の時間変化が図１１とは相違するので、以下これらについて主に説明する。
本例において、第２フェイルセーフ回路３１４は、フェイルセーフ制御において、速度検出部２２が電流検出信号をセンスする場合に下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃを全てオンする期間を、速度検出部２２が電流検出信号をセンスしない場合に下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃを全てオンする期間よりも長くしてよい。本図の例においては、時刻ｔ２、ｔ３、およびｔ４において、速度検出部２２が電流検出信号をセンスする場合における下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃを全てオンする期間を、下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃを全てオンする他の期間および上アーム側スイッチング素子４ａ〜ｃを全てオンする各期間よりも長く維持する。
これにより、第２フェイルセーフ回路３１４は、図１１と同様に、下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃが全てオンとなってから速度検出部２２が電流検出信号をセンスするまでの時間をより長く確保することができ、下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃの切り替え後に電流検出信号がより安定してから電流検出信号をセンスすることができるようにする。なお、速度検出部２２が上アーム側スイッチング素子４ａ〜ｃの少なくとも１つに流れる電流を検出する場合、第２フェイルセーフ回路３１４は、フェイルセーフ制御において、速度検出部２２が電流検出信号をセンスする場合に上アーム側スイッチング素子４ａ〜ｃを全てオンする期間を、速度検出部２２が電流検出信号をセンスしない場合に上アーム側スイッチング素子４ａ〜ｃを全てオンする期間よりも長くしてよい。
図１３は、電機システム３００の動作波形の第３例を示す。本図の例は、第２フェイルセーフ回路３１４が出力するゲート駆動指令Ｇｘｙｚ＿ＨＶ、上アーム側スイッチング素子４ａ〜ｃの状態、および下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃの状態の時間変化が図１１および図１２とは相違するので、以下これらについて主に説明する。
本例において、第２フェイルセーフ回路３１４は、フェイルセーフ制御において、速度検出部２２が電流検出信号をセンスする場合に下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃを全てオンする期間を、上アーム側スイッチング素子４ａ〜ｃを全てオンする期間よりも長くする。本図の例においては、フェイルセーフ制御において、上アーム側スイッチング素子４ａ〜ｃの全てをオンとする各期間は一例として実質的に同一の時間長であり、下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃの全てをオンする各期間は一例として実質的に同一の時間長であり、上アーム側スイッチング素子４ａ〜ｃの全てをオンとする各期間よりも大きい。
これにより、第２フェイルセーフ回路３１４は、図１１および図１２と同様に、下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃが全てオンとなってから速度検出部２２が電流検出信号をセンスするまでの時間をより長く確保することができ、下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃの切り替え後に電流検出信号がより安定してから電流検出信号をセンスすることができるようにする。なお、速度検出部２２が上アーム側スイッチング素子４ａ〜ｃの少なくとも１つに流れる電流を検出する場合、第２フェイルセーフ回路３１４は、フェイルセーフ制御において、速度検出部２２が電流検出信号をセンスする場合に下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃを全てオンする期間を、上アーム側スイッチング素子４ａ〜ｃを全てオンする期間よりも長くしてよい。
電機システム３００は、図１１から図１３のフェイルセーフ制御とは別に、または図１１から図１３のフェイルセーフ制御と共に、主バッテリ１、直流母線コンデンサ３、または電源回路３１３からの電力供給が失われた場合または失われつつある場合に、第１フェイルセーフ回路８によって第２フェイルセーフ回路３１４と同様に上アーム側スイッチング素子４ａ〜ｃおよび下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃを交互に全てオンするフェイルセーフ制御を行うようにしてもよい。
また、速度検出部２２は、図５および図６に関連して説明したように、下アーム側スイッチング素子５ａからの電流検出信号に基づいて、下アーム側スイッチング素子５ａがオフの間にモータＰＭの回転を検出するようにしてもよい。この場合、第２フェイルセーフ回路３１４は、図１１から図１３において速度検出部２２が電流検出信号をセンスする場合に下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃを全てオンする期間を長くしたのに代えて、速度検出部２２が電流検出信号をセンスする場合に下アーム側スイッチング素子５ａ〜ｃを全てオフする期間を長くするようにしてもよい。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
１ 主バッテリ
２ スイッチ
３ 直流母線コンデンサ
４ａ〜ｃ 上アーム側スイッチング素子
５ａ〜ｃ 下アーム側スイッチング素子
６ 補機バッテリ
７ 制御回路
８ 第１フェイルセーフ回路
９ａ〜ｃ 上アーム電源回路
１０ 下アーム電源回路
１２ａ〜ｃ 上アームゲート駆動回路
１３ 電源回路
１４ 第２フェイルセーフ回路
１５ 故障検出回路
１８ 絶縁回路
１９ 基準電圧源
２１ａ〜ｆ ゲート駆動回路
２２ 速度検出部
２３ 基準電圧源
２４ モノステーブル回路
２５ ローパスフィルタ
２６ 基準電圧源
２７ａ〜ｃ 絶縁回路
１００ 電流センサ
１０１ 速度センサ
２００ 電機システム
２１０ インバータ
２２０ モータ駆動装置
３００ 電機システム
３１３ 電源回路
３１４ 第２フェイルセーフ回路
３２０ モータ駆動装置

Claims (10)

  1. モータを駆動するためのインバータが有する上アーム側スイッチング素子のゲートを駆動する上アームゲート駆動回路と、
    前記インバータが有する下アーム側スイッチング素子のゲートを駆動する下アームゲート駆動回路と、
    第１電源からの電力供給を受けて、前記モータの回転を検出する第１回転検出部と、
    第２電源からの電力供給を受けて、前記モータの回転を検出する第２回転検出部と、
    前記第１回転検出部からの検出信号を用いて、前記上アームゲート駆動回路および前記下アームゲート駆動回路のうち少なくとも前記第１電源からの電力供給を受けるゲート駆動回路に対するフェイルセーフ制御を行う第１フェイルセーフ回路と、
    前記第２回転検出部からの検出信号を用いて、前記上アームゲート駆動回路および前記下アームゲート駆動回路のうち少なくとも前記第２電源からの電力供給を受けるゲート駆動回路に対するフェイルセーフ制御を行う第２フェイルセーフ回路と
    を備えるモータ駆動装置。
  2. 前記第２電源は、前記第１電源に対して絶縁される請求項１に記載のモータ駆動装置。
  3. 前記インバータは、直流母線が前記第２電源に接続される請求項１または２に記載のモータ駆動装置。
  4. 前記第１フェイルセーフ回路は、少なくとも第１電源からの電力供給を受け、
    前記第２フェイルセーフ回路は、少なくとも第２電源からの電力供給を受ける
    請求項３に記載のモータ駆動装置。
  5. 前記第１電源からの電力供給が失われた場合に、前記第２フェイルセーフ回路は、前記第２電源からの電力供給を受けて、前記上アームゲート駆動回路および前記下アームゲート駆動回路のうち少なくとも前記第２電源からの電力供給を受けるゲート駆動回路に対するフェイルセーフ制御を行う請求項４に記載のモータ駆動装置。
  6. 前記第２回転検出部は、前記上アーム側スイッチング素子または前記下アーム側スイッチング素子の電流検出端子からの電流検出信号に基づいて前記モータの回転を検出する請求項４または５に記載のモータ駆動装置。
  7. 前記第２回転検出部は、前記下アーム側スイッチング素子の電流検出端子からの前記電流検出信号に基づいて前記モータの回転を検出し、
    前記第２フェイルセーフ回路は、前記フェイルセーフ制御において、
    複数の前記下アーム側スイッチング素子を交互に全てオンまたは全てオフにし、
    前記第２回転検出部が前記電流検出信号をセンスする場合に前記複数の下アーム側スイッチング素子を全てオンする期間を、前記第２回転検出部が前記電流検出信号をセンスしない場合に前記複数の下アーム側スイッチング素子を全てオンする期間よりも長くする
    請求項６に記載のモータ駆動装置。
  8. 前記第２回転検出部は、前記下アーム側スイッチング素子の電流検出端子からの前記電流検出信号に基づいて前記モータの回転を検出し、
    前記第１フェイルセーフ回路および前記第２フェイルセーフ回路の少なくとも１つは、前記フェイルセーフ制御において、
    複数の前記上アーム側スイッチング素子と複数の前記下アーム側スイッチング素子とを交互に全てオンにし、
    前記第２回転検出部が前記電流検出信号をセンスする場合に前記複数の下アーム側スイッチング素子を全てオンする期間を、前記複数の上アーム側スイッチング素子を全てオンする期間よりも長くする
    請求項６に記載のモータ駆動装置。
  9. 前記第１フェイルセーフ回路および前記第２フェイルセーフ回路の少なくとも１つは、前記フェイルセーフ制御において、
    複数の前記上アーム側スイッチング素子と複数の前記下アーム側スイッチング素子とを交互に全てオンにし、
    前記第１回転検出部または前記第２回転検出部により検出される前記モータの回転速度が低下した場合に、複数の前記上アーム側スイッチング素子と複数の前記下アーム側スイッチング素子とを交互に全てオンにする周波数を低下させる
    請求項６に記載のモータ駆動装置。
  10. 第１電源からの電力供給を受ける第１回転検出部が、モータの回転を検出し、
    第２電源からの電力供給を受ける第２回転検出部が、前記モータの回転を検出し、
    第１フェイルセーフ回路が、前記第１回転検出部からの検出信号を用いて、前記モータを駆動するためのインバータが有する上アーム側スイッチング素子のゲートを駆動する上アームゲート駆動回路および前記インバータが有する下アーム側スイッチング素子のゲートを駆動する下アームゲート駆動回路のうち少なくとも前記第１電源からの電力供給を受けるゲート駆動回路に対するフェイルセーフ制御を行い、
    第２フェイルセーフ回路が、前記第２回転検出部からの検出信号を用いて、前記上アームゲート駆動回路および前記下アームゲート駆動回路のうち少なくとも前記第２電源からの電力供給を受けるゲート駆動回路に対するフェイルセーフ制御を行う
    モータ駆動方法。
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