JP2021197753A - Inverter device - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、インバータ装置に関するものである。 The present application relates to an inverter device.
車載用モータは、車両の駆動源あるいはステアリング装置の駆動源として使用され、インバータ装置で駆動される。このインバータ装置は、直流を交流に変換して所定のトルク及び周波数でモータを駆動する。車両の使用状態に応じてインバータ装置を構成するインバータのスイッチング素子の温度が大きく変動するため、予め設定された温度を超えることの無いようにインバータを冷却したり、インバータの温度あるいはモータの温度を温度センサによって検出し、検出した温度情報を記憶装置に記憶させて、温度情報に応じてトルクあるいはスイッチング周波数を制限したりする制御が行われている。 The in-vehicle motor is used as a drive source for a vehicle or a drive source for a steering device, and is driven by an inverter device. This inverter device converts direct current into alternating current and drives the motor with a predetermined torque and frequency. Since the temperature of the switching element of the inverter that composes the inverter device fluctuates greatly depending on the usage condition of the vehicle, the inverter is cooled so as not to exceed the preset temperature, or the temperature of the inverter or the temperature of the motor is adjusted. Control is performed such as detecting by a temperature sensor, storing the detected temperature information in a storage device, and limiting the torque or switching frequency according to the temperature information.
特に、特許文献1においては、電動パワーステアリング装置に使用されているモータの制御について示され、記憶させていた温度情報が、エンジンストールによってリセットされることの無いように、電力供給がなくても記憶していることが可能な不揮発性記憶手段を使用し、エンジンの始動後において、イグニッションスイッチがオンしている状態でエンジンストール状態になる前に、検出した温度情報を記憶手段に記憶し、モータの駆動を再開した場合には、温度センサによって検出した温度情報と、記憶手段に記憶している温度情報とを比較して、高い温度の情報を使用して制御を行うことが提案されている。
In particular, in
特許文献1に示された制御装置においては、起動時に用いる値が記憶値と温度センサによる検出値のうち、高い温度における情報を初期値として使用するため、起動時に、記憶されていた高い推定温度値によりモータ出力が制限される場合がある。特に、ストール状態が続いてモータの温度が高くなった状態で終了した場合、この終了時の記憶した値をそのまま起動時に使用することになるため、休止時間が十分に長い場合、すなわちイグニッションスイッチがオフしている状態が十分に長い場合には、実際の温度検出値が下がっているにもかかわらず、記憶値と温度センサによる検出値のうち高い方の温度を用いて初期値を設定するため、モータ出力が制限されるという問題がある。
また、車両駆動用モータにこの提案されている技術を適用した場合、モータ出力(トルク)が抑制される事により車両が発進できなくなる可能性があるという問題があった。
In the control device shown in
Further, when the proposed technique is applied to the vehicle drive motor, there is a problem that the vehicle may not be able to start due to the suppression of the motor output (torque).
本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、温度変化の実状に沿った制御を行うインバータ装置を提供することを目的とする。 The present application discloses a technique for solving the above-mentioned problems, and an object of the present application is to provide an inverter device that controls according to the actual state of temperature change.
本願に開示されるインバータ装置は、電源とモータの間に接続され、前記電源の電圧を変換して前記モータに出力するインバータ、前記モータの温度を検出する温度検出部、前記インバータまたはモータの休止時間の情報を提供する休止時間情報提供装置、および前記インバータの動作終了時の前回トルク抑制値を記憶する記憶装置と、トルク指令値を出力する指令値演算部と、前記温度検出値と前記休止時間と前記前回トルク抑制値とに応じてトルク抑制値を演算する抑制値演算部と、前記トルク指令値と前記トルク抑制値とに基づいてトルク指令最終値を設定する最小選択処理部とを有し、前記インバータのスイッチング動作を制御する制御装置を備えたことを特徴とするものである。 The inverter device disclosed in the present application is connected between a power supply and a motor, an inverter that converts the voltage of the power supply and outputs the output to the motor, a temperature detection unit that detects the temperature of the motor, and a suspension of the inverter or the motor. A pause time information providing device that provides time information, a storage device that stores the previous torque suppression value at the end of operation of the inverter, a command value calculation unit that outputs a torque command value, the temperature detection value, and the pause. It has a suppression value calculation unit that calculates the torque suppression value according to the time and the previous torque suppression value, and a minimum selection processing unit that sets the final torque command value based on the torque command value and the torque suppression value. However, it is characterized by being provided with a control device for controlling the switching operation of the inverter.
休止時間が長く、コイル温度が低下している場合、休止時間情報を用いて演算することで、起動時のトルクを高めることができる。 When the pause time is long and the coil temperature is low, the torque at startup can be increased by calculating using the pause time information.
実施の形態1
図1は、実施の形態1のモータ駆動装置の構成図である。なお、図中同一符号は、各々同一または相当部分を示している。
図1に示すように、インバータ装置1は、電源2からの直流を交流に変換してモータ3に入力するインバータ4と、インバータ4を制御する制御装置5によって構成されている。図1において、電源2は、高圧電源システム21と低圧電源システム22とを備えている。高圧電源システム21は、インバータ4を通じてモータ3に電力を供給する。低圧電源システム22は、インバータ装置1の制御装置5に電力を供給するように構成されている。低圧電源システム22と制御装置5との間にはコンタクタ220が設けられ、電力のオン・オフを行うように構成されている。
FIG. 1 is a configuration diagram of a motor drive device according to the first embodiment. In the figure, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.
As shown in FIG. 1, the
インバータ4は、モータ3への電力を変換する第1の電圧変換回路41、第2の電圧変換回路42、第3の電圧変換回路43を備え、第1の電圧変換回路41の前段には、コンデンサ44と、コンデンサ44の電圧を検出する電圧検出部45が設けられている。
第1の電圧変換回路41は、直列に接続された第1のスイッチング素子41aと第2のスイッチング素子41bと、第1のスイッチング素子41aと第2のスイッチング素子41bとの第1の接続部41cで構成されている。
The
The first voltage conversion circuit 41 is a
第2の電圧変換回路42は、直列に接続された第3のスイッチング素子42aと第4のスイッチング素子42bと、第3のスイッチング素子42aと第4のスイッチング素子42bとの第2の接続部42cで構成されている。
第3の電圧変換回路43は、直列に接続された第5のスイッチング素子43aと第6のスイッチング素子43bと、第5のスイッチング素子43aと第6のスイッチング素子43bとの第3の接続部43cで構成されている。
The second
The third
第1の電圧変換回路41、第2の電圧変換回路42および第3の電圧変換回路43の第1のスイッチング素子41aから第6のスイッチング素子43bのそれぞれにはダイオードが並列に接続されている。
インバータ4の第1の電圧変換回路41、第2の電圧変換回路42および第3の電圧変換回路43のスイッチングは、制御装置5からのゲート信号Gate41a,Gate41b、Gate42a,Gate42b、Gate43a,Gate43bによって制御されている。
A diode is connected in parallel to each of the
The switching of the first voltage conversion circuit 41, the second
インバータ4の出力は電流検出部6によって検出される。電流検出部6は、インバータ4の第1の電圧変換回路41の第1の接続部41c、第2の電圧変換回路42の第2の接続部42cおよび第3の電圧変換回路43の第3の接続部43cとモータ3との間に配置され、第1の電圧変換回路41に流れる電流値IU、第2の電圧変換回路42に流れる電流値IVおよび第3の電圧変換回路43に流れる電流値IWを検出する。
電圧検出部45で検出された電圧値Vinと、電流検出部6で検出された電流値IU、IV、IWはそれぞれ制御装置5に入力される。
The output of the
The voltage value Vin detected by the
また、モータ3にはモータ3の回転位置θを検出する回転位置検出部7、モータ3のコイル温度およびモータ3を冷却するオイルの温度を検出する温度検出部8が設けられており、回転位置θ、コイル温度及びオイル温度の情報が制御装置5に与えられるように構成されている。
さらに、インバータ装置1には、インバータ装置1が休止している時間を検出し、休止時間情報を制御装置5に提供する休止時間情報提供装置9を備えている。
また、制御装置5は、休止時間情報提供装置9から提供される休止時間情報を受信する受信部50を有し、休止時間情報提供装置9から提供された休止時間情報をインバータ装置1の起動時に休止時間情報を使用する。なお、以下の説明では、休止時間情報としてインバータ装置1の休止時間として説明しているが、モータ3の休止時間を休止時間情報として提供するようにしても同様の制御を行なうことができる。
Further, the motor 3 is provided with a rotation position detection unit 7 that detects the rotation position θ of the motor 3, and a
Further, the
Further, the
制御装置5は、インバータ装置1の一部であり、制御装置5は、モータ3を制御するために、電圧検出部45において検出された電圧値Vinと、電流検出部6で検出された電流値IU,IV,IWとモータ3の回転位置θから演算される回転数ωに基づいて、第1の電圧変換回路41、第2の電圧変換回路42、第3の電圧変換回路43のスイッチング素子41a、41b、42a、42b、43a、43bをPWM(Pulse Width Modulation)制御によって制御するためにオン・オフ制御(開閉動作)するゲート信号Gate41a、Gate41b、Gate42a、Gate42b、Gate43a、Gate43bを生成し、モータ3の出力を制御する。
The
なお、制御装置5は、第1のスイッチング素子41aから第6のスイッチング素子43bのオン・オフ制御を行うために、プロセッサ51を備えている。制御装置5のプロセッサ51は、コンパレータ、オペアンプ、差動増幅回路等のアナログ電子回路から構成されてもよいし、演算処理装置などのデジタル電子回路により構成されてもよいし、デジタル電子回路及びアナログ電子回路の双方により構成されてもよい。
すなわち、ハードウエアの一例を図2に示すように、プロセッサ51と記憶装置52から構成される。記憶装置は図示していないが、ランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを具備する。また、フラッシュメモリの代わりにハードディスクの補助記憶装置を具備してもよい。プロセッサ51は、記憶装置52から入力されたプログラムを実行する。
The
That is, as shown in FIG. 2, an example of hardware is composed of a
この場合、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ51にプログラムが入力される。また、プロセッサ51は、演算結果等のデータを記憶装置52の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。
ここで、記憶装置52は、電力がなくてもデータ又は値を記憶する装置として、インバータ装置1が動作を終了する場合には、終了前の状態の値を記憶し、休止時間において電源が無い場合であっても、情報を記憶している。
In this case, a program is input from the auxiliary storage device to the
Here, the
図3は、本実施の形態1に示した制御装置5の中に設けられている制御部500の構成を示すブロック図である。
制御部500は、制御装置5の一部である。制御部500は、温度検出部8から検出されたオイル温度検出値Toilと、回転位置θから演算される回転数ωと、休止時間情報と、トルク指令最終値Tfを用いてトルク抑制値Tsaveを演算して出力する抑制値演算部501と、トルク指令値Trefを演算して出力する指令値演算部502と、トルク指令値Trefと、トルク抑制値Tsaveのうち、最も小さい値を選択してトルク指令最終値Tfとする最小選択処理部503と、モータ制御のために、トルク指令最終値Tfと、電圧検出値Vinと、電流検出値IU,IV,IWと、回転数ωを用いて、第1の電圧変換回路41、第2の電圧変換回路42、第3の電圧変換回路43を制御するPWM信号Gate41a、Gate41b、Gate42a、Gate42b、Gate43a、Gate43bを生成するモータ制御部504で構成されている。
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of a control unit 500 provided in the
The control unit 500 is a part of the
図4は、抑制値演算部501の構成を示すブロック図である。
抑制値演算部501は、モータ出力範囲の拡大を目的として、オイル温度値Toilと、回転数ωを用いて、トルク抑制レートの係数Trを選択する選択部501aと、トルク抑制レートの係数Trと、トルク指令最終値Tfを用いて、トルク変化率Teを演算する演算部501bと、トルク変化率Teと、起動処理部501gで演算された起動値Tkの四則演算Ttをする四則演算部501cと、制御安定性を向上するために四則演算値Ttを制限してトルク抑制値Tsaveを出力する制限部501dと、トルク指令値Trefの前回値Tdを演算する前回値演算部501eと、記憶装置52にトルク抑制値Tsaveを記憶し、記憶装置52において記憶されている前の処理時のトルク抑制値(前回トルク抑制値という)Tsave01の読み出し処理をする記憶/読出し部501fと、受信部50で受信された休止時間情報と、記憶装置52で記憶されている前トルク抑制値Tsave01と、トルク指令値Trefの前回値Tdを用いて起動値Tkを演算する起動処理部501gで構成されている。
FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the suppression
The suppression
ここで、起動処理部501gおよび記憶/読出し部501fを設けることによって、コイルが過熱から保護されることを図5のタイミング図に示す。ここでは、記憶装置52に終了時のトルク抑制値を記憶し、起動時に記憶装置52に記憶されている前回トルク抑制値Tsave01を記憶/読出し部501fから読みだして、休止期間後の起動を行うことによって、コイルを過熱から保護できる。なお、図5のタイミング図において、期間Tqは、トルク抑制値に応じてトルクが制限される期間を表している。
これに対して、記憶装置52、起動処理部501g、記憶/読出し部501fを備えていない場合を比較例1として、図6にタイミング図を示す。この比較例1の場合には、ストール状態が続いている場合に、記憶装置52を有しないため、終了時の値を記憶していないことから、休止期間後の起動時にトルク抑制値が、初期化またはリセットされるため、短い休止期間の場合にはコイルを過熱から保護できない場合がある。
Here, the timing diagram of FIG. 5 shows that the coil is protected from overheating by providing the
On the other hand, FIG. 6 shows a timing diagram as Comparative Example 1 in the case where the
次に、実施の形態1の起動処理部501gにおける処理を、図7のフロー図に沿って説明する。
ステップS11において、インバータ装置1の状態が起動時であるのかの判断を行う。インバータ装置1の状態が動作中の場合には、ステップS12において、トルク指令値Trefの前回値Tdをそのまま起動値Tkとして使用する。起動時である場合には、ステップS13において、終了時に記憶装置52において記憶されている前回トルク抑制値Tsave01と受信部50で受信されている休止時間に係数αを乗算した値(=休止時間×α)とを加算した値(=Tsave01+休止時間×α)を出力することによって、起動時のトルク抑制値を上げる。
ここで、休止時間が長い場合の処理状態においてもコイルが過熱から保護されることを図8のタイミング図に示す。
Next, the processing in the
In step S11, it is determined whether the state of the
Here, the timing diagram of FIG. 8 shows that the coil is protected from overheating even in the processing state when the pause time is long.
インバータ装置1の動作中は、トルク抑制値Tsaveの前回値Tdを起動値Tkとして出力し、トルク抑制値Tsaveまたはトルク指令値Trefの内、最小値を選択してトルク指令最終値Tfを出力するため、モータ3を過熱から保護できる。すなわち、インバータ装置1の終了時は、記憶装置52にて終了時のトルク抑制値Tsaveを記憶する。インバータ装置1の休止時間中は、電力がなくても、記憶装置52において前回トルク抑制値Tsave01として保存されている。
インバータ装置1の起動時は、記憶装置52で記憶されている前回トルク抑制値Tsave01を読み出し、この前回トルク抑制値Tsave01に休止時間と係数を乗算した値(休止時間×α)を加算した値に応じてトルク抑制値Tsaveを出力し、トルク抑制値Tsaveに応じてモータ制御を行うため、トルク抑制値Tsaveが起動時にリセットされないし、休止時間と係数を乗算した値(休止時間×α)を加算するため、ストール状態が続いても、モータ3のトルクの制限なく制御ができる。
During the operation of the
When the
これに対して、記憶装置52、記憶/読出し部501fの処理を備えていても、起動処理部501gがないため出力が制限される場合を比較例2として、図9にタイミング図を示す。図9は、記憶装置52の実装によって短い休止時間の場合には、終了時の値を記憶して起動時に読み出すことができるためコイルを過熱から保護はできるが、休止時間が長い、温度検出値が充分に下がる場合も終了時の記憶値を読み出してそのまま使用することになるため、トルクが制限される。
On the other hand, FIG. 9 shows a timing diagram as Comparative Example 2 in which the output is limited due to the absence of the
実施の形態2
この実施の形態2においては、実施の形態1の抑制値演算部501の一部を変えて、図10に示すように、起動処理部501gにモータ3のコイル温度検出値Tcoilを入力して演算するように構成している。すなわち、図10は、抑制値演算部501の構成を示すブロック図である。ここで、起動処理部501gにコイル温度検出値が入力されているところが図4とは異なっている。
In the second embodiment, a part of the suppression
次に、実施の形態2の起動処理部501gにおける処理を、図11のフロー図に沿って説明する。
ステップS21において、インバータ装置1の状態が起動時であるのかの判断を行う。インバータ装置1の状態が動作中の場合には、ステップS22において、トルク指令値Trefの前回値Tdをそのまま起動値Tkとして使用する。インバータ装置1の状態が、起動時である場合には、ステップS23において、休止時間が予め定めた規定時間より長いかどうかの判断を行う。
Next, the processing in the
In step S21, it is determined whether the state of the
休止時間が規定時間よりも長い場合には、ステップS24において、温度検出部8から受けたコイル温度検出値Tcoilの関数の値(=f(Tcoil))を起動値Tkとして出力する。なお、「規定時間」は、インバータ4またはモータ3が過熱状態から外気温あるいはモータ3を冷却するオイルの温度に飽和するまでの時間であって、実測の結果に基づいて予め設定するものである。
コイル温度検出値Tcoilと起動値Tkとの関係を図12に示す。休止時間が充分に長い場合、モータ3の温度検出部8で検出されたコイル温度検出値Tcoilは、モータ3内の最も高温部の温度であると予測されるため、コイル温度が高い程、トルクを抑制するような関数あるいはマップを用いる。
When the pause time is longer than the specified time, in step S24, the value (= f (Tcoil)) of the coil temperature detection value Tcoil function received from the
FIG. 12 shows the relationship between the coil temperature detection value Tcoil and the start value Tk. When the pause time is sufficiently long, the coil temperature detection value Tcoil detected by the
インバータ装置1の状態が起動時で、かつ休止時間が規定の時間よりも短い場合には、ステップS24において、終了時に記憶装置52において記憶されている前回トルク抑制値Tsave01と受信部50で受信されている休止時間に係数αを乗算した値(=休止時間×α)とを加算した値(=Tsave01+休止時間×α)を出力することによってストール状態が続いても、モータ3のトルク制限なく制御ができる。
When the state of the
なお、実施の形態のモータ駆動装置は、電気自動車あるいはハイブリッド自動車に搭載され、車両駆動用のモータあるいはエンジン駆動用のモータジェネレータを駆動するためのインバータに設けられている温度検出部から検出された値を使用する構成においても適用できる。
実施の形態の温度検出部8は、モータ3、コイル、インバータ装置1、またはモータ駆動装置のどこの部分の温度でもよいし、2か所以上の温度を使用して、温度分布状態に応じて制御するようにしてもよい。
実施の形態の制限部501dは、トルク抑制値Tsaveの範囲拡大のために省略することができる。
The motor drive device of the embodiment is mounted on an electric vehicle or a hybrid vehicle, and is detected by a temperature detection unit provided in an inverter for driving a vehicle drive motor or an engine drive motor generator. It can also be applied in configurations that use values.
The
The limiting
実施の形態のインバータ装置1あるいはモータ3を二つ以上備えた装置としても、同様の制御を適用することができる。
実施の形態のインバータ装置1と電源2の間では、昇圧コンバータを備えたシステムとすることができる。
実施の形態の制御装置5の電力は、高圧電源システム21から降圧して電源を使用することができる。
実施の形態の休止時間情報は、コンタクタの状態又はコンタクタと制御装置の間の電圧値など、インバータ装置の休止によって変化する状態から検出することができる。
Similar control can be applied to a device including two or
A system including a boost converter can be provided between the
The electric power of the
The pause time information of the embodiment can be detected from the state of the contactor or the state of change due to the pause of the inverter device such as the voltage value between the contactor and the control device.
本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、1つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
Although the present application describes various exemplary embodiments and examples, the various features, embodiments, and functions described in one or more embodiments are applications of a particular embodiment. It is not limited to, but can be applied to embodiments alone or in various combinations.
Therefore, innumerable variations not illustrated are envisioned within the scope of the techniques disclosed herein. For example, it is assumed that at least one component is modified, added or omitted, and further, at least one component is extracted and combined with the components of other embodiments.
1 インバータ装置、2 電源、3 モータ、4 インバータ、5 制御装置、
6 電流検出部、7 回転位置検出部、8 温度検出部、9 休止時間情報提供装置、
21 高圧電源システム、22 低圧電源システム、41 第1の電圧変換回路、
42 第2の電圧変換回路、43 第3の電圧変換回路、50 受信部、
51 プロセッサ、52 記憶装置、220 コンタクタ、501 抑制値演算部、
502 指令値演算部、503 最小選択処理部、504 モータ制御部
1 Inverter device, 2 power supply, 3 motor, 4 inverter, 5 control device,
6 current detection unit, 7 rotation position detection unit, 8 temperature detection unit, 9 pause time information providing device,
21 High voltage power supply system, 22 Low voltage power supply system, 41 First voltage conversion circuit,
42 Second voltage conversion circuit, 43 Third voltage conversion circuit, 50 Receiver,
51 processor, 52 storage device, 220 contactor, 501 suppression value calculation unit,
502 Command value calculation unit, 503 Minimum selection processing unit, 504 Motor control unit
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