JP4566551B2

JP4566551B2 - 電動機駆動回路

Info

Publication number: JP4566551B2
Application number: JP2003405352A
Authority: JP
Inventors: 良貴村上; 徳彦森原
Original assignee: Tokyo R&D Co Ltd; PUES Corp
Current assignee: Tokyo R&D Co Ltd; PUES Corp
Priority date: 2003-12-04
Filing date: 2003-12-04
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2023-12-04
Also published as: JP2005168222A

Description

本発明は、特に電気自動車等の負荷変動が頻繁に生じる電動機駆動回路に関し、急激に電動機の回転数が低下しても電力変換器を構成する制御素子に過電流が流れることがない電動機駆動回路に関する。

従来、電気自動車（電動式の自動二輪車，自転車等の二輪車を含む）のモータ駆動システムでは、図１に示すように、三相モータ９を駆動する電動機駆動回路８として、コントローラ８１と、インバータ８２と、過電流検出回路８３と、シャント抵抗８４と、磁極位置検出回路８５と、電池電圧検出回路８６とを備えたものが一般に知られている。

図１において、コントローラ８１は、トルク指令および磁極位置検出回路８５からの磁極位置信号を取得して、インバータ８２に各相の電気量の実効値を決定するパルスを出力することができる。

インバータ８２は直流を交流に変換し電動機を駆動する半導体スイッチ素子からなり、過電流検出回路８３は、後述するようにインバータ８２を構成する半導体スイッチ素子に流れる過電流をシャント抵抗８４により検出することができる。磁極位置検出回路８５は、ホール素子センサ（磁極位置検出センサ）９１からの検出信号を取得して、磁極位置信
号をコントローラ８１に出力することができる。コントローラ８１は、ホール素子センサ９１からの磁極位置信号およびこの磁極位置信号から求めた速度信号に基づき三相モータ９を制御することができる。

電池電圧検出回路８６は、電池２００の端子電圧を検出することができる。図２は、電動機駆動回路８の制御原理を示す図である。図２において、横軸は回転数（ｒｐｍ）を示し、縦軸は電動機トルク（Ｎｍ）を示しており、各曲線は制御パルス信号Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１のデューティが一定のときの回転数−トルク特性を示している。たとえば、アクセルによるトルク指令が６〔Ｎｍ〕で、磁極位置検出回路８５が検出した回転数が３８００〔ｒｐｍ〕である場合に、デューティを大きくすると回転数は上昇し、デューティを小さくすると回転数は減少する。

負荷（図１では符号１００で負荷をシンボルで示してある）が変動したとき（三相モータ９の回転数が変化したとき）は、磁極位置検出回路８５が当該回転数変化を検出し、コントローラ８１は当該回転数に見合ったデューティの駆動信号Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２を三相モータ９に出力する。

ところで、電気自動車の走行中に急ブレーキをかけたような場合等、何らかの原因により、三相モータ９の回転数が異常に低下したとする。たとえば、図３に示すように、トルク指令が６〔Ｎｍ〕、回転数５５００〔ｒｐｍ〕（すなわち制御パルス信号Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１のデューティ１００％）で三相モータ９が駆動されているときに、回転数が何らかの原因により急に回転数２５００〔ｒｐｍ〕に低減したとする。この場合、磁極位置検出回路８５は回転数の変化を検出し、コントローラ８１は回転数２５００〔ｒｐｍ〕に対応したデューティ、この場合にはデューティ５０％の制御パルス信号Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１をインバータ８２に出力するが、コントローラ８１は、急激な回転数減少を磁極位置検出回路８５からの信号を用いて認識するまでの間、回転数が低下しているにもかかわらず、高回転時に対応するデューティの制御信号をインバータ８２に出力することになる。

すなわち、コントローラ８１は、負荷が軽くなったにもかかわらず、重負荷時の制御を行なった場合、何の手段も講じないと、インバータ８２の半導体スイッチ素子が過電流により破壊される危険がある。このため、図１の電動機駆動回路８では、シャント抵抗８４の電圧降下を過電流検出回路８３により検出することで半導体スイッチ素子の破壊を防止するようにしている。

しかし、上記のシャント抵抗を用いた過電流検出では、インバータ８２の半導体スイッチ素子に過電流が流れた後に、インバータ８２の動作を停止するため、前記過電流の大きさによっては短時間のうちに素子破壊が生じるおそれがある。
本発明は、このような問題を解決するために提案されたものであって、急激に電動機の回転数が低下しても電力変換器を構成する制御素子に過電流が流れることがない電動機駆動回路を提供することを目的とする。

本発明の電動機駆動装置は、直流を交流に変換し電動機を駆動する電力変換器と、
トルク指令を取得して、前記電力変換器に制御信号を出力するコントローラと、
前記電動機に備えられた回転速度検出センサから各相のエッジを取得し、隣接する、立上りエッジ間、立下りエッジ間または立上り／立下りエッジ間の時間を所定クロックで検出することで、電動機の急減速を検出し、当該検出結果を前記コントローラに出力する急減速検出回路とを備え、
前記コントローラが、前記急減速検出回路から急減速検出結果を受け取ったときに、前記電力変換器のシャットダウンを実行する電動機駆動装置であって、
前記電動機の回転数領域を複数に分割し、各回転数領域について急減速停止時間を定め、前記の各隣接するエッジ間の時間が、前記回転数領域について定められた前記急減速停止時間を超えたときは、前記コントローラは、前記電力変換器のシャットダウンを実行することを特徴とする。

なお、コントローラは、ＰＷＭ，ＰＦＭ等の変調を行なう回路を有することができる。また、本発明の電動機は回生機能を備えたものであってもよい。本発明では、電力変換器を構成する制御素子に過電流が流れるような回転数の激減が電動機に生じても、電動機に備えた回転速度検出センサにより回転数変化を瞬時に検出して、シャットダウン制御を行なう。すなわち、従来、たとえば電力変換器に設けられたシャント抵抗を用いたり、既設の過電流検出回路を用いることなく、電動機の急減速に伴う電力変換器構成素子の過電流を予防でき、したがって当該素子の破壊等が防止される。

本発明の電動機駆動装置により制御される電動機は、単相モータ、あるいは多相モータ（たとえば、ＤＣブラシレスモータ）である。なお、本発明は、同期電動機のみならず、誘導電動機に適用することができる。

本発明において、前記電動機がＤＣブラシレスモータである場合には、前記磁極位置検出センサを前記回転速度検出センサとして用いることができる。また、この場合には、前記磁極位置検出センサは典型的にはホール素子センサであり、このホール素子センサによりロータ磁極の漏れ磁束を検出することができる。

本発明の電動機駆動装置は、前述したように、前記急減速検出回路は、磁極位置検出センサから、
（１）各相の立上りエッジを取得し、隣接立上りエッジ間の時間を所定クロックで検出し、（２）各相の立下りエッジを取得し、隣接立下りエッジ間の時間を所定クロックで検出し、または（３）各相の立上がり・立下りエッジを取得し、隣接エッジ間の時間を所定クロックで検出する。

なお、本発明の電動機駆動装置では、エッジ間の時間間隔が所定時間を超えたか否かの検出を、隣接エッジによりリセットされる積分回路と、比較回路とを用いて検出することができる。すなわち、磁極位置検出センサからの信号（パルス）を積分回路に入力し、比較回路により積分値が所定値に達するか否かによりロータが所定速度を超えたか否かを検出することができる。

本発明では、電動機の回転数が急激に低下した場合において、たとえば電力変換器に設けられたシャント抵抗を用いたり、既設の過電流検出回路を用いることなく電動機の急減速に伴う電力変換器を構成するスイッチ素子に過大な電流が流れることを予防でき、したがって当該スイッチ素子に破壊等が生じる事態を回避できる。すなわち、本発明では、回転速度検出センサからの信号により電動機の回転数低下を監視するとともに、回転数の低下が、当該検出時の回転数について定められた限界値を超えたときは直ちに電力変換器による電動機への電力供給を停止する（電力変換器をシャットダウンする）ので、電力変換器を構成するスイッチ素子の過電流破壊を予防することができる。

図４は本発明の実施形態である電動機駆動回路により構成したモータ駆動システムの構成図である。図４において、電動機駆動回路１は、コントローラ１１と、インバータ（本発明における「電力変換器」）１２と、磁極位置検出回路１３と、急減速検出回路１４と、電池電圧検出回路１５とを備えている。

コントローラ１１は、トルク指令Ｓ、磁極位置検出回路１３から磁極位置データを取得し当該データから回転数を演算し、インバータ１２にＰＷＭ信号またはＰＦＭ信号等の制御パルス信号Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１を出力することができる。インバータ１２は、電池２００から供給される直流を三相交流に変換し、三相モータ２に供給することができる。磁極位置検出回路１３は、ホール素子センサ（本発明における「回転速度検出センサ」および「磁極位置検出センサ」として機能する）２１からの各相ごとにロータ位置信号を取得して三相モータ２の回転数および位相を検出することができ、上述したようにコントローラ１１に検出結果を出力することができる。なお、図４では符号１００により負荷をシンボルで示してある。

急減速検出回路１４は三相モータ２に備えられたホール素子センサ２１からロータ位置信号を受け取り、急減速を検出し、コントローラ１１に送出することができる。急減速検出回路１４は、ホール素子センサ２１からの各相の立上りエッジおよび立下りエッジを取得し、隣接エッジ間の時間を所定クロックで検出することができる。コントローラ１１は、急減速検出回路１４から急減速検出結果を受け取ったときは、インバータ１２のシャットダウンを実行する。

図５（Ａ），（Ｂ）は、ホール素子センサ２１の出力を示す図であり、（Ａ）は回転数が一定のときのホール素子センサ２１からの出力Ｘ，Ｙ，Ｚを示し、（Ｂ）は回転数が急激に低下したときのホール素子センサ２１からの出力Ｘ，Ｙ，Ｚを示している。図５（Ａ），（Ｂ）に示すように、１回転あたり（機械角３６０°あたり）、１２回の立上りエッジおよび立下りエッジを検出する。この機械角３０°の回転に要する時間を監視する。

たとえば、１０００〔ｒｐｍ〕の例にとると、１回転にかかる時間は、６０〔ｓ〕／１０００〔ｒｐｍ〕、すなわち０．０６〔ｓ〕となる。よって、機械角３０°の回転に要する時間は、
０．０６〔ｓ〕／〔３０〔ｄｅｇ〕／３６０〔ｄｅｇ〕〕＝０．００５〔ｓ〕＝５〔ｍｓ〕
となる。一般には、回転数Ｘ〔ｒｐｍ〕のときの、機械角３０°回転時間Ｔは、Ｔ＝５／Ｘ〔ｓ〕である。

本実施形態では、機械角３０°回転時間Ｔの期間を、１２８μｓ周期のクロックで計数し、ホール素子センサ２１からの出力Ｘ，Ｙ，Ｚの立上りエッジまたは立下りエッジで、計数終了（急減速停止カウンタ値クリア）とする。

図６は、三相モータ２の回転数ｎと急減速停止カウンタ値Ｋとの関係を示す図であり、ｎ−Ｋは定常運転時における回転数ｎと、急減速停止カウンタ値Ｋとの関係を示しており、ＤＺは回転数の変化があったときの危険領域を示す。回転数変化があった場合に、急減速停止カウンタ値Ｋの値がそのときの回転数にける定常運転時の値から所定値（図６の符号Ｆ参照）以上増加したとき（すなわち、急減速停止カウント値（急減速停止時間）を超えたとき）は、急減速検出回路１４は回転数ｎが危険領域ＤＺに遷移したと判断し、インバータ１２は停止される（シャットダウンされる）。図６では、回転数４０００〔ｒｐｍ〕で運転しているとき（図６の符号ａ参照）に回転数が１８００〔ｒｐｍ〕に低下した場合（図６の符号ｂ参照）を示している。この場合には、危険領域ＤＺに遷移しているので、インバータ１２はシャットダウンされる。

図７は回転数を複数のエリアに分割して定義した危険領域ＤＺを示している。図７の回転数エリアは表１にも示すように、三相モータ２の回転数に応じて（０）〜（６）に区分されており、定常運転時における各回転数エリアにおける急減速停止カウンタ値が特定される。また表１に、高回転数エリアから低回転数エリアに回転数が遷移したときに緊急停止となる場合の、遷移後の回転数エリアと遷移前の回転数エリアとの関連を右欄に示す。なお、磁極位置検出回路１３の分解能は、１００〔ｒｐｍ〕程度で十分であるので、本実施形態では、三相モータ２の回転数は、表１にも示されるように１００〔ｒｐｍ〕単位で設定される。

たとえば、回転数５０００〔ｒｐｍ〕において、３０°の回転に要する時間は１ｍｓであり、この１ｍｓ（３０°間隔）を１２８μｓ周期のクロックで計数すると、急減速停止カウンタ値は「８」となる。何らかの外的要因により回転数の急激な低下が発生し、図５（Ｂ）または図８（図５（Ｂ）の点線で囲った部分の拡大図）に示すように急減速停止カウンタ値が「１３」を超えたとする。この場合には、図７および表１からわかるように、危険領域ＤＺに回転数が遷移したことになるので、インバータ１２はシャットダウンされ
る。

図９および図１０（Ａ），（Ｂ）により、電動機駆動回路１の動作（図７および表１に危険領域ＤＺを定めた場合）を説明する。図９は、急減速検出処理を示すフローチャートである。急減速検出回路１４は、１２８μｓを１サイクルとしてＳ１００〜Ｓ１１２までの処理を繰り返す。

なお、本実施形態では、予め急減速停止カウンタ値Ｋがクリアし（Ｋ＝０）されているものとする。すなわち、図１０（Ａ）に示すように、急減速検出回路１４は、ホール素子センサ２１からのＸ，Ｙ，Ｚのエッジが検出されたか否かを監視し（Ｓ２０１）、当該エッジが検出されたときは、所定の記憶領域Ｒの急減速停止カウンタ値Ｋをクリア（初期値を０にセット）する（Ｓ２０２）。

急減速検出回路１４は、１２８μｓのクロックによりサイクルが開始され（Ｓ１００）、まず急減速停止カウンタ値Ｋがインクリメントされ（Ｋ＝Ｋ＋１：Ｓ１０１）、急減速停止カウンタ値Ｋが１２を超えるか否か（１３以上であるか否か）が判断される（Ｓ１０２）。急減速停止カウンタ値Ｋが１３を超えていない場合には（Ｋ≦１２：Ｓ１０２の「ＮＯ」）、急減速検出回路１４によるサイクルは終了となり（Ｓ１１２）、次の１２８μｓのクロックにより再びサイクルが開始される。

Ｓ１０２において急減速停止カウンタ値Ｋが１２を超えた場合（１３以上である場合）には、急減速停止カウンタ値Ｋが１８を超えたか（１９以上であるか否か）が判断される（Ｓ１０３）。急減速停止カウンタ値Ｋが１８を超えないときは（１３≦Ｋ≦１８：Ｓ１０３の「ＮＯ」）、磁極位置検出回路１３による回転数ｎの検出値（実際の回転数ではない）が４０００〔ｒｐｍ〕を超えているか否かが判断され（Ｓ１０４）、超えていなければシャットダウン処理を行なわずに上述したＳ１１２に処理を渡す（Ｓ１０４の「ＮＯ」）が、超えていればＳ３０１〜Ｓ３０３の（図１０（Ｂ）参照）シャットダウン処理に移行する（Ｓ１０４の「ＹＥＳ」）。

Ｓ１０３において急減速停止カウンタ値Ｋが１８を超えた場合（１９以上である場合）には、急減速停止カウンタ値Ｋが２５を超えたか（２６以上であるか否か）が判断される（Ｓ１０５）。急減速停止カウンタ値Ｋが２５を超えないときは（１９≦Ｋ≦２５：Ｓ１０５の「ＮＯ」）、磁極位置検出回路１３による回転数ｎの検出値が３０００〔ｒｐｍ〕を超えているか否かが判断され（Ｓ１０６）、超えていなければシャットダウン処理を行なわずに上述したＳ１１２に処理を渡すが（Ｓ１０６の「ＮＯ」）、超えていればＳ３０１〜Ｓ３０３のシャットダウン処理に移行する（Ｓ１０６の「ＹＥＳ」）。

Ｓ１０５において急減速停止カウンタ値Ｋが２５を超えた場合（２６以上である場合）には、急減速停止カウンタ値Ｋが３６を超えたか（３７以上であるか否か）が判断される（Ｓ１０７）。急減速停止カウンタ値Ｋが３６を超えないときは（２６≦Ｋ≦３６：Ｓ１０７の「ＮＯ」）、磁極位置検出回路１３による回転数ｎの検出値が２０００〔ｒｐｍ〕を超えているか否かが判断され（Ｓ１０８）、超えていなければシャットダウン処理を行なわずに上述したＳ１１２に処理を渡すが（Ｓ１０８の「ＮＯ」）、超えていればＳ３０１〜Ｓ３０３のシャットダウン処理に移行する（Ｓ１０８の「ＹＥＳ」）。

Ｓ１０７において急減速停止カウンタ値Ｋが３６を超えた場合（３７以上である場合）には、急減速停止カウンタ値Ｋが７７を超えたか（７８以上であるか否か）が判断される（Ｓ１０９）。急減速停止カウンタ値Ｋが７７を超えないときは（３７≦Ｋ≦７７：Ｓ１０９の「ＮＯ」）、磁極位置検出回路１３による回転数ｎの検出値が１５００〔ｒｐｍ〕を超えているか否かが判断され（Ｓ１１０）、超えていなければシャットダウン処理を行なわずに上述したＳ１１２に処理を渡すが（Ｓ１１０の「ＮＯ」）、超えていればＳ３０１〜Ｓ３０３のシャットダウン処理に移行する（Ｓ１１０の「ＹＥＳ」）。

Ｓ１０９において急減速停止カウンタ値Ｋが７７を超えた場合（７８以上である場合）には、磁極位置検出回路１３による回転数ｎの検出値が１０００〔ｒｐｍ〕を超えているか否かが判断され（Ｓ１１１）、超えていなければシャットダウン処理を行なわずに上述したＳ１１２に処理を渡すが（Ｓ１１１の「ＮＯ」）、超えていればＳ３０１〜Ｓ３０３のシャットダウン処理に移行する（Ｓ１１１の「ＹＥＳ」）。

図１０（Ｂ）はシャットダウン処理を示すフローチャート（Ｓ３０１〜Ｓ３０３）であり、コントローラ１１は、インバータへの制御パルス信号Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１の送出を停止し（Ｓ３０１）、進角値のクリア（Ｓ３０２）、デューティ値のクリア（Ｓ３０３）を行い、この後、処理を上述したＳ１１２に処理を渡す。

従来のモータ駆動システムを示す説明図である。図１のモータ駆動システムにおける電動機駆動回路の制御原理を示す図である。図１のモータ駆動システムにおける電動機駆動回路の制御原理を示す図であり、回転数が急激に低下したときの様子を示す図である。本発明の電動機駆動回路の実施形態を示す回路構成図である。ホール素子センサの出力を示す図であり、（Ａ）は回転数が一定のときのホール素子センサからの出力を示す図、（Ｂ）は回転数が急激に低下したときのホール素子センサからの出力を示す図である。三相モータの回転数と急減速停止カウンタ値との関係を示す図である。三相モータの回転数と急減速停止カウンタ値との関係および回転数が急減したときの危険領域を速度領域に分割した場合を示す図である。急減速停止カウンタ値がある値を超えたときの説明図である。本発明の電動機駆動回路における急減速検出処理を示すフローチャートである。（Ａ）は急減速停止カウンタ値のクリア処理を示すフローチャートであり、（Ｂ）は本発明の電動機駆動回路におけるシャットダウン処理を示すフローチャートである。

１電動機駆動回路
２三相モータ
１１コントローラ
１２インバータ
１３磁極位置検出回路
１４急減速検出回路
１５電池電圧検出回路
２１ホール素子センサ
１００負荷
２００電池

Claims

直流を交流に変換し電動機を駆動する電力変換器と、
トルク指令を取得して、前記電力変換器に制御信号を出力するコントローラと、
前記電動機に備えられた回転速度検出センサから各相のエッジを取得し、隣接する、立上りエッジ間、立下りエッジ間または立上り／立下りエッジ間の時間を所定クロックで検出することで、電動機の急減速を検出し、当該検出結果を前記コントローラに出力する急減速検出回路と、
を備え、
前記コントローラが、前記急減速検出回路から急減速検出結果を受け取ったときに、前記電力変換器のシャットダウンを実行する電動機駆動装置であって、
前記電動機の回転数領域を複数に分割し、各回転数領域について急減速停止時間を定め、前記の各隣接するエッジ間の時間が、前記回転数領域について定められた前記急減速停止時間を超えたときは、前記コントローラは、前記電力変換器のシャットダウンを実行する、
ことを特徴とする電動機駆動回路。
前記電動機が磁極位置検出センサを備えたＤＣブラシレスモータであり、前記磁極位置検出センサを前記回転速度検出センサとして用いることを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動回路。
前記磁極位置検出センサがロータ磁極の漏れ磁束を検出するホール素子センサであるこ
とを特徴とする請求項２に記載の電動機駆動回路。