JP2022017042A - モータ制御装置およびモータ制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】モータがストール状態のときに、スイッチング素子の導通損失を低減することができない。【解決手段】インバータを構成するスイッチング素子を制御してモータを駆動するモータ制御装置であって、前記モータがストール状態であることを検知するストール検知部と、前記ストール検知部によりモータのストール状態が検知された場合に、前記スイッチング素子のゲート電極に印加するゲート駆動電圧を、前記ストール状態が検知されていない場合における前記ゲート駆動電圧よりも高くするゲート電圧設定部と、を備えるモータ制御装置。【選択図】図１

Description

本発明は、モータ制御装置およびモータ制御方法に関する。

電動車両や、ハイブリッド車両には車両の駆動源としてモータが用いられる。モータは、バッテリからの直流電力をインバータによって交流電力に変換して駆動される。このような車両でモータによる走行時に、車両が段差等で静止したまま動かないなど、モータに急激な負荷変動があるとモータのステータの回転磁界にロータが追従できない状態、すなわちストール状態になる。モータがストール状態になると、インバータを構成する複数のスイッチング素子のうち、電流が集中する相のスイッチング素子が発熱する。また、モータのロータが回転しない低回転数かつ高負荷な状態からロータを回すため高トルクが必要になり特定のアームのスイッチング素子に大電流が流れる。低回転数で高トルク時はインバータのキャリア周波数は低く制御されているため、スイッチング素子の導通損失が増加する。

特許文献１では、ストール発生時にスイッチング素子の温度を推定し、推定した温度が閾値以上になった場合には、モータの出力トルクを制限するなどインバータの保護制御を行っている。

特開２０１３－１６２７３２号公報

特許文献１に記載の装置では、モータがストール状態のときに、スイッチング素子の導通損失を低減することができない。

本発明によるモータ制御装置は、インバータを構成するスイッチング素子を制御してモータを駆動するモータ制御装置であって、前記モータがストール状態であることを検知するストール検知部と、前記ストール検知部によりモータのストール状態が検知された場合に、前記スイッチング素子のゲート電極に印加するゲート駆動電圧を、前記ストール状態が検知されていない場合における前記ゲート駆動電圧よりも高くするゲート電圧設定部と、を備える。
本発明によるモータ制御方法は、インバータを構成するスイッチング素子を制御してモータを駆動するモータ制御装置におけるモータ制御方法であって、前記モータに出力される電流値の絶対値が所定値以上であり、かつ前記モータの回転速度が所定値以下の場合に、前記モータがストール状態であると検知し、前記ストール状態が検知された場合に、前記スイッチング素子のゲート電極に印加するゲート駆動電圧を、前記ストール状態が検知されていない場合における前記ゲート駆動電圧よりも高くする。

本発明によれば、モータがストール状態のときのスイッチング素子の導通損失を低減できる。

モータ制御装置の回路構成図である。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）ストール状態が検知された場合の電流、電圧を示す図である。 ゲート駆動電圧に応じたスイッチング素子の動作を示す図である。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）ストール検知部の動作を示すフローチャートである。 ストール検知部の動作を示す変形例に係るフローチャートである。

図１は、モータ制御装置１００の回路構成図である。
インバータのＵ相アームを構成するスイッチング素子１０ｕｕ、１０ｕｌのうち、Ｕ相の上アームのスイッチング素子１０ｕｕに対応する回路を図示している。

スイッチング素子１０ｕｕにはゲートドライバＩＣ１１が接続される。ゲートドライバＩＣ１１には、基準電圧ＧＮＤＥに対して正の電圧ＶｃｃＰが入力され、また基準電圧ＧＮＤＥに対して負の電圧ＶｃｃＮが入力される。

ゲートドライバＩＣ１１には、フライバック電源装置２２が接続される。フライバック電源装置２２は、一次側と二次側を絶縁し、且つ変圧するトランス１２と、トランス１２へエネルギーを供給する電源制御ＩＣ１５を備える。トランス１２の二次側巻線は、整流用のダイオードＤ１、Ｄ２および平滑用のコンデンサＣ１、Ｃ２を介してゲートドライバＩＣ１１に接続され、電圧ＶｃｃＰ、ＶｃｃＮおよび基準電圧ＧＮＤＥを供給する。

トランス１２の第１の一次側巻線には、ダイオードＤ３およびコンデンサＣ３を介してフィードバック巻線１３が接続される。さらに、トランス１２の第２の一次側巻線には、電流のオン・オフ制御をおこなうＦＥＴ１４が抵抗Ｒ１を介して接続される。

電源制御ＩＣ１５は、トランス１２のフィードバック巻線１３に接続されるＦＢ端子およびＦＥＴ１４のゲート端子に接続されるＦＥＴ－Ｇ端子を有し、ＦＢ端子の電圧が常に一定値となるようにＦＥＴ－Ｇ端子へのオン・オフ時間を制御する。電源制御ＩＣ１５のＩＮ端子には、ＰＷＭ信号が入力される。

電源制御ＩＣ１５のＶＢ端子には電源ＬＶが供給されている。また、電源ＬＶは、トランス１２の第１の一次側巻線へ供給され、ＦＥＴ１４および抵抗Ｒ１を介してＧＮＤに接続される。すなわち、トランス１２の第２の一次側巻線に接続されたＦＥＴ１４をオン・オフ制御することにより、エネルギー供給を行い、トランス１２の二次側巻線側に電力を供給する。すなわち、フライバック電源装置２２はスイッチング素子１０ｕｕにゲート駆動電圧を供給する。

上述したゲートドライバＩＣ１１、フライバック電源装置２２よりなる回路は、Ｕ相の上アームのスイッチング素子１０ｕｕに対応する回路を示しており、Ｕ相の下アームのスイッチング素子１０ｕｌに対応する回路も同様の構成である。さらに、図示省略したＶ相およびＷ相の各スイッチング素子に対応して同様の回路を設ける。なお、各スイッチング素子をスイッチング素子１０と総称する。

Ｕ相アームを構成するスイッチング素子１０ｕｕとスイッチング素子１０ｕｌの接続点より出力電流が図示省略したモータへ出力される。図示省略したＶ相アームおよびＷ相アームからも同様に出力電流が図示省略したモータへ出力され、モータを駆動する。

電流センサ１６ｕは、モータへ出力される出力電流の電流値を検出する。Ｖ相アームおよびＷ相アームの出力電流の電流値を検出する電流センサ１６ｖ、１６ｗも同様にそれぞれ設けられているが図示を省略する。

ストール検知部１７には、電流センサ１６ｕにより検出された電流値ｉｕと、モータに設けられたレゾルバもしくはギアスピードセンサにより検出されたモータの回転速度ｎが入力される。ストール検知部１７は、電流値ｉｕの絶対値が所定値以上であり、かつモータの回転速度ｎが所定値以下の場合に、モータがストール状態であることを検知する。ストール状態を検知するとストール検知部１７は、ストール状態検知信号ｓをゲート電圧設定部１８へ出力する。

ゲート電圧設定部１８は、フィードバック巻線１３の巻線負荷を増加させる抵抗を有する。ゲート電圧設定部１８は、ストール状態検知信号ｓを受けると、フィードバック巻線１３に抵抗を接続して巻線負荷を増加する。フィードバック巻線１３の負荷を増加させることにより、一時的に電源制御ＩＣ１５のＦＢ端子電圧が低下する。そのため、電源制御ＩＣ１５はＦＢ端子電圧を一定に保つようにＦＥＴ－Ｇ端子からＦＥＴ１４のゲート端子へ出力されるオン時間を増加する。したがって、トランス１２の一次側から供給されるエネルギーが増加することでトランス１２の二次側のゲート駆動電圧が上昇する。本実施形態では、ストール状態が検知された場合に、フィードバック巻線１３の巻線負荷を増加させるゲート電圧設定部１８を付加するという簡単な構成でスイッチング素子１０のゲート電極に印加するゲート駆動電圧を高くすることができる。

詳細は後述するが、ゲート駆動電圧の上昇はスイッチング素子１０ｕｕのオン時の飽和電圧Ｖｃｅ（ｓａｔ）を低下させる効果があるため、スイッチング素子１０の電流通電中の導通損失を低減する。

なお、ストール検知部１７およびゲート電圧設定部１８は、Ｕ相の上アームのスイッチング素子１０ｕｕに対応する構成を図示したが、Ｕ相の下アームのスイッチング素子１０ｕｌにも対応しており、図示省略したゲートドライバＩＣ１１、フライバック電源装置２２よりなる回路において、Ｕ相の下アームのスイッチング素子１０ｕｌのゲート電極に印加するゲート駆動電圧を高くする。

また、上述のストール検知部１７、ゲート電圧設定部１８と同様の構成は、Ｖ相およびＷ相と対応してそれぞれ設けられる。そして、モータの回転速度が所定値以下の場合に、電流センサ１６ｕ、１６ｖ、１６ｗによって検出された電流値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの絶対値が大きい相におけるストール検知部１７によりストール状態が検知される。そして、電流値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの絶対値が大きい相に対応したゲート電圧設定部１８により当該相におけるスイッチング素子１０に印加するゲート駆動電圧を高くする。

一般に、モータの回転数が速い場合は、インバータのキャリア周波数も高い。この場合には、インバータのスイッチング素子１０のスイッチング損失が大きく、導通損失は小さい。一方、モータの回転数が遅い場合は、インバータのキャリア周波数も低い。この場合には、インバータのスイッチング素子１０のスイッチング損失が小さく、導通損失が大きくなる。

モータを駆動源にした車両を例に説明すると、車両が停止した状態から段差などを乗り越えるためには高いトルクが必要になる。モータのロータが回転しない低回転数かつ高負荷な状態からロータを回すため高トルクが必要になり、特定のアームのスイッチング素子１０に大電流が流れる。モータが低回転で高トルクの場合は、インバータのキャリア周波数は低く制御されているため、スイッチング素子１０の損失はスイッチング損失よりも導通損失が大きくなる。

図２はストール状態が検知された場合の電流、電圧を示す図である。図２（Ａ）は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電流値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの変化を、図２（Ｂ）は、スイッチング素子１０ｕｕのゲート駆動電圧Ｖｇｅを、図２（Ｃ）は、スイッチング素子１０ｕｕの飽和電圧Ｖｃｅ（ｓａｔ）を示す。

図２（Ａ）に示すように、時刻ｔでストール状態になる前は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電流値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗは、三相交流電流が流れている。時刻ｔにおいてストール状態になった場合には、例えば、Ｕ相の電流値ｉｕに大電流が連続して流れる。本実施形態では、図２（Ｂ）に示すように、スイッチング素子１０ｕｕのゲート駆動電圧Ｖｇｅを上げる。ゲート駆動電圧Ｖｇｅを上げる場合は、スイッチング素子１０のバラツキも考慮して、スイッチング素子１０ｕｕのＶｃｅ定格電圧およびゲートドライバＩＣ１１のＶｃｃ定格電圧を越えない範囲で上げる。ゲート駆動電圧Ｖｇｅを上げることにより、図２（Ｃ）に示すように、飽和電圧Ｖｃｅ（ｓａｔ）を小さくすることができる。これにより、スイッチング素子１０の導通損失を低減して損失（発熱）を改善することができる。

次に、損失低減効果について述べる。ストール状態でのスイッチング素子１０の導通損失Ｐｏｎは以下の式（１）で表わされる。
Ｐｏｎ＝Ｄ＊Ｉｃ＊Ｖｃｅ（ｓａｔ）・・・（１）
Ｄ＝（１＋Ｍ＊ＳＩＮθ）/２ ・・・（２）
ここで、Ｉｃはコレクタ電流、Ｖｃｅ（ｓａｔ）はコレクタ飽和電圧、Ｍはインバータの変調率である。ストール状態では変調率を０とするとＤは約０．５となる。

一例として、コレクタ電流Ｉｃ＝６００Ａの場合、ゲート駆動電圧Ｖｇｅ＝１３．５ＶのときＶｃｅ（ｓａｔ）＝１．７Ｖ、ゲート駆動電圧Ｖｇｅ＝１５．５ＶのときＶｃｅ（ｓａｔ）＝１．６Ｖであるスイッチング素子１０を例に導通損失を考察する。

例えば、ストール状態でＩｃ＝６００Ａでインバータを動作した場合は、ゲート駆動電圧Ｖｇｅ＝１３．５Ｖで駆動している状態での導通損失Ｐｏｎ１は、式（１）より、以下のように５１０［Ｗ］となる。
Ｐｏｎ１＝０．５＊６００Ａ＊１．７Ｖ＝５１０［Ｗ］

一方、ゲート駆動電圧を上げてゲート駆動電圧Ｖｇｅ＝１５．５Ｖで駆動している状態での導通損失Ｐｏｎ２は、式（１）より、以下のように４８０［Ｗ］となる。
Ｐｏｎ２＝０．５＊６００Ａ＊１．６Ｖ＝４８０［Ｗ］

ゲート駆動電圧をＶｇｅ＝１３．５ＶからＶｇｅ＝１５．５Ｖに上げることにより、（Ｐｏｎ２／Ｐｏｎ１）＊１００％＝９４．１％となり、５．９％の損失低減効果がある。また、スイッチング素子１０の熱抵抗を０．１４℃/Ｗとすると、０．１４［℃/Ｗ］×３０［Ｗ］＝４．２［℃］の温度低減効果がある。

図３は、ゲート駆動電圧に応じたスイッチング素子１０の動作を示す図である。スイッチング素子１０のスイッチング時のコレクタ電流Ｉｃとコレクタ電圧Ｖｃｅとを示す。図中の実線はスイッチング素子１０の通常駆動時におけるゲート駆動電圧を印加した場合を、点線はストール状態において通常駆動時より高いゲート駆動電圧を印加した場合を示す。

図３に示すように、スイッチング素子１０をターンオフした場合に、インバータの回路に寄生のインダクタンスの影響により、スイッチング素子１０のコレクタ－エミッタ間にサージ電圧Ｖｓｕｒｇｅが発生する。ストール状態においてゲート駆動電圧を上げる場合には、バッテリからの入力電圧Ｖｉｎとサージ電圧Ｖｓｕｒｇｅとの和がスイッチング素子１０のコレクタ電圧Ｖｃｅの定格電圧を超えないようにゲート駆動電圧を設定する。

ゲート駆動電圧の設定は、インバータの通常動作だけでなく回生動作中のコンタクタオープンによる過電圧の遮断時の条件も考慮したバッテリ電圧条件で実施する。この過電圧はインバータが高回転高出力時の回生動作中に発生する。モータの高回転領域で力行動作時は急減速などにより回生動作に急激に移行する可能性があるため、ゲート駆動電圧を上げておくことは危険である。一方で、モータの低回転領域では回生エネルギーが発生しない領域が存在する。そのため、ストール状態などの低回転動作時は過電圧条件を考慮する必要が無く、ゲート駆動電圧を上げることは問題にならない。

図４は、ストール検知部１７の動作を示すフローチャートである。図４（Ａ）は、Ｕ相のストール検知部１７の動作を、図４（Ｂ）は、Ｖ相のストール検知部１７の動作を、図４（Ｃ）は、Ｗ相のストール検知部１７の動作を示す。

図４（Ａ）を参照して、Ｕ相のストール検知部１７の動作を説明する。ステップ４０１ｕにおいて、電流値ｉｕの絶対値が所定値以上であり、かつモータの回転速度ｎが所定値以下であるか、すなわちストール状態であるかを判定する。ストール状態であれば、ステップ４０２ｕに進み、ゲート電圧設定部１８へストール状態検知信号ｓを出力する。これにより、ゲート電圧設定部１８は、フィードバック巻線１３に抵抗を接続して巻線負荷を増加する。その結果、スイッチング素子１０ｕｕのゲート電極に印加するゲート駆動電圧を高くする。すなわち、スイッチング素子１０ｕｕのゲート電極に印加するゲート駆動電圧を、ストール状態が検知されていない場合におけるゲート駆動電圧よりも高くする。一方、ステップ４０１ｕでストール状態であると判定されなかった場合は、ステップ４０３ｕに進む。ステップ４０３ｕでは、ストール検知部１７からストール状態検知信号ｓは出力されず、ゲート電圧設定部１８は、フィードバック巻線１３の巻線負荷を増加しない。このため、スイッチング素子１０ｕｕのゲート電極に印加するゲート駆動電圧はストール状態の場合より低い規定値のままとなる。

図４（Ｂ）、図４（Ｃ）に示すＶ相、Ｗ相のストール検知部１７の動作も、図４（Ａ）を参照して説明してＵ相のストール検知部１７の動作と同様であるのでその説明を省略する。各相のストール検知部１７は、図４（Ａ）、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）に示す動作を繰り返し実行している。モータを駆動源にした車両が段差などを乗り越えるために、モータが低回転数かつ高負荷な状態で高トルクが必要になり、特定のアームのスイッチング素子１０に大電流が流れるが、いずれかの相のストール検知部１７がこれを検知する。

そして、ストール状態検知信号ｓを受けたゲート電圧設定部１８は、スイッチング素子１０を駆動するゲート駆動電圧を上げる。ゲート駆動電圧を上げることによってスイッチング素子１０のオン時の飽和電圧Ｖｃｅ（ｓａｔ）が低下することで電流が流れている期間の導通損失を低減できる。特に大電流時には大きな効果が得られる。そして、インバータの効率向上、発熱低減により過温度になるまでの動作時間の延長が図れる。

図５は、ストール検知部１７の動作を示す変形例に係るフローチャートである。図１および図４では、ストール検知部１７を各相に対応してそれぞれ設けた例で説明した。しかし、本変形例で示すように、ストール検知部１７は一つでもよい。

ストール検知部１７が一つの場合は、図示を省略するが、ストール検知部１７には、電流センサ１６ｕ、１６ｖ、１６ｗにより検出された電流値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗが入力され、さらにモータの回転速度ｎが入力される。そして、ストール検知部１７は、各相に対応して設けられたゲート電圧設定部１８にストール状態検知信号ｓを出力する。

図５のステップ５０１において、ストール検知部１７は、電流値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの何れかの電流値の絶対値が所定値以上であり、かつモータの回転速度ｎが所定値以下であるか、すなわちストール状態であるかを判定する。

ストール状態であれば、ステップ５０２に進み、電流値の絶対値が最も高い相を判定し、当該相に対応するゲート電圧設定部１８へストール状態検知信号ｓを出力する。ストール状態検知信号ｓを受けたゲート電圧設定部１８は、フィードバック巻線１３に抵抗を接続して巻線負荷を増加する。その結果、電流値の絶対値が最も高い相のスイッチング素子１０のゲート電極に印加するゲート駆動電圧を高くする。ストール検知部１７は、図５に示す動作を繰り返し実行している。モータを駆動源にした車両が段差などを乗り越えるために、モータが低回転数かつ高負荷な状態で高トルクが必要になり、特定のアームのスイッチング素子１０に大電流が流れるが、ストール検知部１７がこれを検知する。

一方、ステップ５０１でストール状態であると判定されなかった場合は、ステップ５０３に進む。ステップ５０３では、ストール検知部１７からストール状態検知信号ｓは出力されず、ゲート電圧設定部１８は、フィードバック巻線１３の巻線負荷を増加しない。このため、スイッチング素子１０ｕｕのゲート電極に印加するゲート駆動電圧はストール状態の場合より低い規定値のままとなる。

なお、図４、図５にストール検知部１７の動作を示すフローチャートを記載したが、このフローチャートで示したプログラムを、プロセッサ、メモリなどを備えたコンピュータにより実行して実現してもよい。図４、図５のフローチャートで示したプログラムを、他の制御を実行するコンピュータに行わせてもよい。また、図４、図５のフローチャートで示した処理の一部または全部を行う専用回路（例えばＦＰＧＡやＡＳＩＣ）を含んでいてもよい。更に、このプログラムは、記憶媒体やデータ信号（搬送波）などの種々の形態のコンピュータ読み込み可能なコンピュータプログラム製品として供給してもよい。

以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）モータ制御装置１００は、インバータを構成するスイッチング素子１０を制御してモータを駆動する。モータ制御装置１００は、モータがストール状態であることを検知するストール検知部１７と、ストール検知部１７によりモータのストール状態が検知された場合に、スイッチング素子１０のゲート電極に印加するゲート駆動電圧を、ストール状態が検知されていない場合におけるゲート駆動電圧よりも高くするゲート電圧設定部１８と、を備える。これにより、モータがストール状態のときのスイッチング素子の導通損失を低減できる。

（２）モータ制御方法は、インバータを構成するスイッチング素子を制御してモータを駆動するモータ制御装置１００におけるモータ制御方法であって、モータに出力される電流値が所定値以上であり、かつモータの回転速度が所定値以下の場合に、モータがストール状態であると検知し、ストール状態が検知された場合に、スイッチング素子１０のゲート電極に印加するゲート駆動電圧を、ストール状態が検知されていない場合におけるゲート駆動電圧よりも高くする。これにより、モータがストール状態のときのスイッチング素子の導通損失を低減できる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。

１００・・・モータ制御装置、１０・・・スイッチング素子、１１・・・ゲートドライバＩＣ、１２・・・トランス、１３・・・フィードバック巻線、１４・・・ＦＥＴ、１５・・・電源制御ＩＣ、１６ｕ・・・電流センサ、１７・・・ストール検知部、１８・・・ゲート電圧設定部、２２・・・フライバック電源装置。

Claims (6)

1. インバータを構成するスイッチング素子を制御してモータを駆動するモータ制御装置であって、
   前記モータがストール状態であることを検知するストール検知部と、
   前記ストール検知部によりモータのストール状態が検知された場合に、前記スイッチング素子のゲート電極に印加するゲート駆動電圧を、前記ストール状態が検知されていない場合における前記ゲート駆動電圧よりも高くするゲート電圧設定部と、
   を備えるモータ制御装置。
2. 請求項１に記載のモータ制御装置であって、
   前記モータに出力される電流値を検出する電流センサを備え、
   前記ストール検知部は、前記電流センサにより検出された電流値の絶対値が所定値以上であり、かつ前記モータの回転速度が所定値以下の場合に、前記モータが前記ストール状態であることを検知するモータ制御装置。
3. 請求項２に記載のモータ制御装置であって、
   前記ストール検知部は、前記モータの各相に対応して設けられた前記電流センサにより検出された電流値の絶対値が所定値以上である相を判定し、前記ゲート電圧設定部により当該相における前記スイッチング素子に印加するゲート駆動電圧を高くするモータ制御装置。
4. 請求項２に記載のモータ制御装置であって、
   前記ストール検知部は、前記モータの各相に対応して設けられた前記電流センサにより検出された電流値の絶対値が所定値以上である場合に、電流値の絶対値が最も高い相を判定し、前記ゲート電圧設定部により当該相における前記スイッチング素子に印加するゲート駆動電圧を高くするモータ制御装置。
5. 請求項１から請求項４までの何れか一項に記載のモータ制御装置であって、
   前記スイッチング素子にゲート駆動電圧を供給するフライバック電源装置を備え、
   前記ゲート電圧設定部は、前記ストール状態が検知された場合に、前記フライバック電源装置のフィードバック巻線の巻線負荷を増加させることにより、前記スイッチング素子に印加するゲート駆動電圧を高くするモータ制御装置。
6. インバータを構成するスイッチング素子を制御してモータを駆動するモータ制御装置におけるモータ制御方法であって、
   前記モータに出力される電流値の絶対値が所定値以上であり、かつ前記モータの回転速度が所定値以下の場合に、前記モータがストール状態であると検知し、
   前記ストール状態が検知された場合に、前記スイッチング素子のゲート電極に印加するゲート駆動電圧を、前記ストール状態が検知されていない場合における前記ゲート駆動電圧よりも高くするモータ制御方法。

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