JP5423098B2 - インバータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、運転前において電流検出器の診断ができるインバータ装置に関するものである。

従来実施されているインバータ装置の回路、作動について以下説明する。図９に従来のインバータ装置１２０とその周辺の電気回路図を示す。運転前に、センサレスＤＣブラシレスモータ１１（以降モータと称す）を構成する磁石回転子５の位置決めが行われる。位置決めは、インバータ装置１２０からモータ１１を構成する固定子巻線４へ直流電流を出力することで行われる（例えば、特許文献１参照）。図１０（Ａ）は、４極の場合において、固定子巻線４のＵ相とＶ相をＳ極に、Ｗ相をＮ極にして、磁石回転子５を位置決めする場合を示している。固定子巻線４のＳ極には磁石回転子５のＮ極が、固定子巻線４のＮ極には磁石回転子５のＳ極が、それぞれ対向して停止することにより、位置決めされる。このとき、インバータ装置１２０の制御回路１０７は、図１０（Ｂ）に示す如く、固定子巻線４のＷ相からＵ相及びＶ相へ電流が流れるように、スイッチング素子２を制御する。また、制御回路１０７は、電流検出器１０６により、モータの相電流を即ち位置決め電流を検出する。

運転時においては、制御回路１０７が、インバータ回路を構成するスイッチング素子２（ＩＧＢＴ、ＦＥＴ，トランジスタ等が用いられる）を制御することにより、バッテリー１からの直流電圧がＰＷＭ変調でスイッチングされ、正弦波状の交流電流がモータ１１を構成する固定子巻線４へ出力される。これにより、モータ１１が駆動される。ダイオード３は、固定子巻線４に流れる電流の循環ルートとなる。電流検出器１０６の検出電流値は、制御回路１０７へ送られ、消費電力算出、スイッチング素子２保護などに用いられ、更には、磁石回転子５の位置推定に用いられる。バッテリー電圧検出器８は、回路部品の電圧保護、正確な位置決め電流出力などのために用いられる。バッテリー電圧検出器８は、抵抗によるバッテリー電圧の分圧により簡単に構成できる。
特開平１１−３５６０８８号公報（第７頁、第６図）

上記のように、インバータ装置においては、運転前の磁石回転子の位置決め、運転時においては磁石回転子の位置推定などのために、電流検出器により電流を検出している。この電流検出は、これらインバータ装置の作動にかかわるものであり正確であることが必要になる。そのため、運転前に電流検出器の診断を行うことが望ましい。然しながら、診断のために回路部品を追加することは、インバータ装置の大型化を招いてしまう。

本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、回路部品を追加することなく、運転前に電流検出器の診断を行うことができるインバータ装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のインバータ装置は、直流電源のプラス側に接続される上アームスイッチング素子とマイナス側に接続される下アームスイッチング素子とを備えたインバータ回路と、直流電源からの直流電圧を検出する電圧検出器と、運転前においてインバータ回路からモータへ直流電流を出力させてモータの磁石回転子の位置決めを行う制御回路と、モータの電流を検出する電流検出器とを備え、制御回路は、磁石回転子の位置決め時、電流検出器を診断するものである。

この直流の位置決め電流値は、直流電源の直流電圧値、インバータ回路のＰＷＭ変調のデューティ、モータのコイル抵抗値により決まる。そのため、電流検出器により検出する電流値とは別に、電圧検出器により検出される直流電源の直流電圧値、制御回路が指令するインバータ回路のＰＷＭ変調のデューティ、既知のモータのコイル抵抗値から制御回路が算出することもできる。また、直流電流であり交流電流ではないため、電流検出器をシャント抵抗としても検出が容易である。そのため、検出される直流電流値と算出される直流電流値とを比較することにより、電流検出器を診断することができる。そして、この電流検出器の診断は、回路部品を追加することなく実現することができる。また、運転前に常に行う磁石回転子の位置決めソフトを応用するのみであるため、当該機能追加はソフト面でも負担が小さい。

本発明のインバータ装置は、回路部品を追加することなく、運転前に電流検出器の診断を行うことができる。

第１の発明のインバータ装置は、直流電源のプラス側に接続される上アームスイッチング素子とマイナス側に接続される下アームスイッチング素子とを備えたインバータ回路と、直流電源からの直流電圧を検出する電圧検出器と、運転前においてインバータ回路からモータへ直流電流を出力させてモータの磁石回転子の位置決めを行う制御回路と、モータの電流を検出する電流検出器とを備え、制御回路は、磁石回転子の位置決め時、電流検出器からの電流を制御回路へフィードバックし所定の位置決め電流に調節する場合、固定子巻線の抵抗値が既知であるとして、所定の位置決め電流と抵抗値とに基づいてインバータ回路から所定の位置決め電流を流すために必要となる電圧値を算出し、該電圧値と直流電源の直流電圧に基づいてスイッチング素子のデューティを算出し、該算出されたデューティとインバータ回路からの出力電圧の実際の出力デューティとを比較して、電流検出器が正常であるか故障しているかを診断するものである。この電流検出器診断は、回路部品を追加することなく実現することができる。また、運転前に常に行う磁石回転子の位置決めソフトを応用するのみであるため、当該機能追加はソフト面でも負担が小さい。また、電流検出器からの電流を制御回路へフィードバックする場合、電流は所定の位置決め電流に調節されるため、この時の出力電圧の実際の出力デューティと、所定の位置決め電流を流すために必要となる出力電圧の算出デューティとを比較することで、電流検出器を診断することができる。

第２の発明のインバータ装置は、直流電源のプラス側に接続される上アームスイッチング素子とマイナス側に接続される下アームスイッチング素子とを備えたインバータ回路と、直流電源からの直流電圧を検出する電圧検出器と、運転前においてインバータ回路からモータへ直流電流を出力させてモータの磁石回転子の位置決めを行う制御回路と、モータの電流を検出する電流検出器とを備え、制御回路は、磁石回転子の位置決め時、電流検出器からの電流を制御回路へフィードバックせずスイッチング素子のデューティが一定の場合、デューティ及び固定子巻線の抵抗値が既知であるとして、デューティと直流電源の直流電圧に基づいてインバータ回路の出力電圧値を算出し、該出力電圧値と抵抗値とに基づいて電流値を算出し、該算出された電流値と電流検出器が検出する実際の出力電流値とを比較して、電流検出器が正常であるか故障しているかを診断する。これにより、検出される直流電流値と算出される直流電流値とを比較することにより、電流検出器を診断することができる。そして、この電流検出器診断は、回路部品を追加することなく実現することができる。また、運転前に常に行う磁石回転子の位置決めソフトを応用するのみであるため、当該機能追加はソフト面でも負担が小さい。また、電流検出器からの電流を制御回路
へフィードバックしない場合、電流は所定の位置決め電流になるとは限らないため、電流検出器が検出する実際の出力電流値と、制御回路が算出する算出電流値とを比較することで、電流検出器を診断することができる。

第３の発明は、第１または第２の発明のインバータ装置において、モータの温度を検出する温度センサを備え、固定子巻線の抵抗値と温度とが線形であることを利用して、温度センサからの温度に基づいて抵抗値を補正する。モータのコイル抵抗は、組成が銅線などであるために、温度により抵抗値が直線的に変化する。そのため、温度を考慮することで、直流電流値の算出即ち電流検出器診断の精度を向上させることができる。

第４の発明は、第１乃至第３の発明のインバータ装置において、電流検出器は、複数の並列接続されるシャント抵抗により構成されるものである。シャント抵抗が、複数の場合、１個の破損ではモータの運転に現象として表れにくい。そのため、電流検出器即ちシャント抵抗を診断できる本発明は有用である。

第５の発明は、第１乃至第４の発明のインバータ装置において、電動圧縮機に搭載され当該電動圧縮機のモータを駆動するものである。インバータ装置は電動圧縮機に搭載されるため、当該電動圧縮機のモータからの振動を受ける。そのため、振動による電流検出器の故障有無を、運転前に診断できる本インバータ装置は有用である。

第６の発明は、第１乃至第５の発明のインバータ装置において、車両に搭載されるものである。車両に搭載されるインバータ装置は、振動など環境が厳しい。そのため、振動に
よる電流検出器の故障有無を、運転前に診断できる本インバータ装置は有用である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。尚、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るインバータ装置２０とその周辺の電気回路である。運転前における磁石回転子５の位置決め通電について以下説明する。図２（Ａ）は、４極の場合において、固定子巻線４のＵ相とＶ相をＳ極に、Ｗ相をＮ極にして、磁石回転子５を位置決めする場合を示している。固定子巻線４のＳ極には磁石回転子５のＮ極が、固定子巻線４のＮ極には磁石回転子５のＳ極が、それぞれ対向して停止することにより、位置決めされる。このとき、インバータ装置２０の制御回路７は、図２（Ｂ）に示す如く、固定子巻線４のＷ相からＵ相及びＶ相へ電流が流れるように、スイッチング素子２を制御する。また、制御回路７は、シャント抵抗６からの電圧により、モータの相電流を検出する。

図３に、上記スイッチングに関し、位置決めにおける上アームスイッチング素子のキャリア周期内でのＯＮ期間例を示す。細線はＵ相、中線はＶ相、太線はＷ相である。所定の一定電流が流れるように、通電期間を設定している。例として、バッテリー１の直流電圧をＤＣ３００Ｖ、図４に示す固定子巻線４の各相の抵抗値Ｒを１Ω、キャリア周波数１０ｋＨｚ（キャリア周期１００μＳ）とする。ここで、位置決めにおけるＷ相の相電流値を２０Ａとするためには、固定子巻線４の等価抵抗値が１．５Ωとなるので、ＤＣ３０Ｖ相当を印加する必要がある。ＤＣ３０Ｖは、ＤＣ３００Ｖの１０％である。従って、通電期間のデューティ即ちΔｔと表示した前半と後半の期間合計を１０％（１０μＳ）にすればよい。おおよそ１００ｍＳ（キャリア周期１０００回）実行される。図５に、Ｗ相の相電流の時間経過を示す。電流が上昇し上記所定の一定直流電流が流れることにより、磁石回転子５が位置決めされる。

運転時について以下説明する。制御回路７は、モータ１１を構成する磁石回転子５による固定子巻線４の誘起電圧を演算し、磁石回転子５の位置推定を行う。そして、この位置推定、回転数指令信号（図示せず）等に基づき、インバータ回路１０を構成するスイッチング素子２を制御し、バッテリー１からの直流電圧をＰＷＭ変調でスイッチングすることにより、正弦波状の交流電流をモータ１１の固定子巻線４へ出力する。制御回路７は、上アームスイッチング素子Ｕ、Ｖ、Ｗ、下アームスイッチング素子Ｘ、Ｙ、Ｚと、ドライブ回路などを介して接続線１８により接続されており、各スイッチング素子を制御している。スイッチング素子２がＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴの場合はゲート電圧を、パワートランジスタの場合はベース電流を制御する。また、各スイッチング素子Ｕ、Ｖ、Ｗ、Ｘ、Ｙ、Ｚに対応するダイオード３を、３Ｕ、３Ｖ、３Ｗ、３Ｘ、３Ｙ、３Ｚと定義する。

次に、位置決め時におけるシャント抵抗６（電流検出器）の診断について以下説明する。図６は、インバータ装置２０の当該作動例を示すフローチャートである。ステップ１０において、上述の位置決めを行う。この時、図３にΔｔと表示した前半と後半の期間において、位置決め電流（上記実施例では２０Ａ）がバッテリー１の直流電源ラインに流れる。この電流値（２０Ａ）は、ステップ２０において、シャント抵抗６からの電圧により検出される。

ステップ３０において、シャント抵抗６により検出される電流値とは別に、バッテリー電圧検出器８により検出されるバッテリー１の直流電圧値３００Ｖ、制御回路７が指令するインバータ回路１０のＰＷＭ変調のデューティ１０％、既知のモータのコイル抵抗値１Ωから、制御回路７が電流値（２０Ａ）を算出する。

そして、ステップ４０において、シャント抵抗６により検出された直流電流値と制御回路７が算出した直流電流値とを比較する。ここで、両電流値が一致すれば電流検出器は正常（Ｙ）、一致しなければ故障（Ｎ）と診断する。電流検出器が正常（Ｙ）であれば、ステップ６０に移り通常運転を行う。シャント抵抗６が故障（Ｎ）であれば、ステップ５０に移り、シャント抵抗６が故障であることをコントローラ（図示せず）などへ情報送信する。これによりユーザなどが認識できるようにする。そして、運転せずに終了する。

これらにより、運転前にシャント抵抗６（電流検出器）の診断を行うことができる。そして、このシャント抵抗６の診断は、特段の回路部品を追加することなく実現することができる。また、運転前に常に行う磁石回転子５の位置決めソフトを応用するのみ（ステップ３０〜５０追加）であるため、当該機能追加はソフト面でも負担が小さい。

ここで、ステップ３０における直流電流値の算出において、直流電流値算出の精度を向上のために、モータ１１の温度を考慮しても良い。固定子巻線４の抵抗値と固定子巻線４の温度とは線形の関係にある。そのため、温度を考慮して、固定子巻線４の各相の抵抗値１Ωを補正することは容易にできる。この温度は、モータ１１保護用の温度センサ、周囲温度センサ、コントローラ（図示せず）などから情報受信すればよい。

シャント抵抗６を複数のシャント抵抗により構成しても良い。シャント抵抗６は、その消費電力即ち発熱、熱ストレスが大きい。例えば抵抗値が１０ｍΩと小さくても電流２０Ａでは４Ｗとなり、電子部品の消費電力としては大きい。そのため、プリント基板に実装する場合などは、複数のシャント抵抗により構成して消費電力を分散しても良い。このように、複数の並列接続されるシャント抵抗により構成した場合、１個の破損では並列接続抵抗値の変化が小さく、モータ１１の運転に現象として表れにくい。そのため、電流検出器即ちシャント抵抗６を診断できる本発明は有用である。

上記実施例は、位置決め時に、シャント抵抗６からの電流を制御回路７へフィードバックしない場合に適用できる。シャント抵抗６が検出する実際の出力電流値２０Ａと、制御回路７が算出する算出電流値とを比較して、シャント抵抗６及びその周辺回路（電流検出器）を診断する。シャント抵抗６からの電流を制御回路７へフィードバックしない場合、電流は所定の位置決め電流２０Ａになるとは限らないため、シャント抵抗６が検出する実際の出力電流値と、制御回路７が算出する算出電流値とを比較することで、シャント抵抗６及びその周辺回路を診断することができる。

位置決め時に、シャント抵抗６からの電流を制御回路７へフィードバックし所定の位置決め電流値２０Ａに調節する場合、インバータ回路１０からの出力電圧の実際の出力デューティと、制御回路７が算出する所定の位置決め電流２０Ａを流すために必要となるイン
バータ回路１０からの出力電圧の算出デューティとを比較して、シャント抵抗６及びその周辺回路を診断する。シャント抵抗６からの電流を制御回路７へフィードバックする場合、電流は所定の位置決め電流値２０Ａに調節されるため、この時の出力電圧の実際の出力デューティと、所定の位置決め電流値２０Ａを流すために必要となる出力電圧の算出デューティとを比較することで、シャント抵抗６及びその周辺回路を診断することができる。

尚、上記実施の形態において、固定子巻線４のＵ相とＶ相をＳ極に、Ｗ相をＮ極にして、４極の磁石回転子５を位置決めする場合を示したが、これに限るものではなく、固定子巻線４のＳ極Ｎ極の相は任意であり、２極、６極等にも、また、固定子巻線４の２相のみに電流を流す場合にも適用できる。シャント抵抗６は、電源ラインのプラス側に設けても良い。また、下アームスイッチング素子と電源ラインのマイナス側に設けても良い。電流検出器としては、シャント抵抗に限らず、ホール素子を用いた電流検出器など瞬時ピーク電流が検出できるものであれば良い。インバータ回路１０とモータ１１との間に設け、直接モータ電流（相電流）を検出しても良い。起動運転の期間は図５の例に限らず時間など任意で良い。Ｗ相電流について示したが、Ｕ相、Ｖ相に関しても位相が異なるのみで同様な挙動をする。ステップ４０において、電流一致としたが、電圧、電流検出の誤差などを考慮して、幅をもたせてもよい。

（実施の形態２）
図７に、電動圧縮機４０の右側にインバータ装置２０を密着させて取り付けた図を示す。金属製筐体３２の中に圧縮機構部２８、モータ１１等が設置されている。冷媒は、吸入口３３から吸入され、圧縮機構部２８（この例ではスクロール）がモータ１１で駆動されることにより、圧縮される。この圧縮された冷媒は、モータ１１を通過する際にモータ１１を冷却し、吐出口３４より吐出される。

インバータ装置２０は電動圧縮機４０に取り付けられるように、ケース３０を使用している。発熱源となるインバータ回路部１０は、低圧配管３８を介して低圧冷媒で冷却される。電動圧縮機４０の内部でモータ１１の固定子巻線４に接続されているターミナル３９は、インバータ回路部１０の出力部に接続される。保持部３５でインバータ装置２０に固定される接続線３６には、バッテリー１への電源線と回転数信号を送信するエアコンコントローラ（図示せず）との信号線がある。

インバータ装置２０は電動圧縮機４０に搭載されるため、当該電動圧縮機４０のモータ１１からの振動を受ける。そのため、振動によるシャント抵抗６（電流検出器）の故障有無を、運転前に診断できる本インバータ装置２０は有用である。

尚、上記実施の形態において、電動圧縮機の圧縮機構部をスクロールとしたが、これに限るものではない。また、圧縮された冷媒がモータを冷却する高圧型について示したが、低圧型でもよい。

（実施の形態３）
図８は、本発明のインバータ装置を圧縮機に一体に構成（実施の形態２）し、空調装置に適用して車両６０に搭載した一例を示す。インバータ装置一体型電動圧縮機６１及び室外熱交換器６３、室外ファン６２が、車両６０の前方のエンジンルーム（乃至モータルーム）に搭載される。一方、車両室内には室内送風ファン６５、室内熱交換器６７、エアコンコントローラ６４が配置されている。空気導入口６６から車外空気を吸込み、室内熱交換器６７で熱交換した空気を車室内に送風する。

車両に搭載されるインバータ装置一体型電動圧縮機６１は、車室外にあるため更に振動など環境が厳しい。そのため、振動によるシャント抵抗６（電流検出器）の故障有無を、
運転前に診断できる本インバータ装置２０は有用である。

尚、上記各実施の形態において、直流電源をバッテリーとしたが、これに限るものではなく、商用交流電源を整流した直流電源などでもよい。モータをセンサレスＤＣブラシレスモータとしたが、リラクタンスモータ等位置決め必要なモータに適用できる。正弦波駆動に限らず位置決め時に相電流の検出が必要となる駆動方式に適用できる。また、ＰＷＭ２相変調においても適用できる。

以上のように、本発明にかかるインバータ装置は、運転前に電流検出器の診断を行うことができる。そして、この診断は、回路部品を追加することなく実現することができる。また、運転前に常に行う磁石回転子の位置決めソフトを応用するのみであるため、当該機能追加はソフト面でも負担が小さい。そのため、各種民生用製品、各種産業用機器に適用できる。

本発明の実施の形態１に係るインバータ装置とその周辺の電気回路図 同（Ａ）位置決め時における固定子巻線と磁石回転子の位置関係図、（Ｂ）同位置決め時における固定子巻線の電流説明図 同位置決め時における通電例を示す説明図 同固定子巻線のインピーダンスを示す説明図 同位置決めから運転に渡るＷ相の相電流説明図 同インバータ装置の作動例を示すフローチャート 本発明の実施の形態２に係るインバータ装置一体型電動圧縮機の断面図 本発明の実施の形態３に係るインバータ装置を搭載した車両の模式図 従来のインバータ装置とその周辺の電気回路図 （Ａ）位置決め時における固定子巻線と磁石回転子の位置関係図、（Ｂ）同位置決め時における固定子巻線の電流説明図

１ バッテリー
２ スイッチング素子
４ 固定子巻線
５ 磁石回転子
６ シャント抵抗（電流検出器）
７ 制御回路
８ バッテリー電圧検出器
１０ インバータ回路
１１ センサレスＤＣブラシレスモータ
２０ インバータ装置
４０ 電動圧縮機
６０ 車両

Claims (6)

1. 直流電源のプラス側に接続される上アームスイッチング素子とマイナス側に接続される下アームスイッチング素子とを備えたインバータ回路と、前記直流電源からの直流電圧を検出する電圧検出器と、運転前において前記インバータ回路からモータへ直流電流を出力させて前記モータの磁石回転子の位置決めを行う制御回路と、前記モータの電流を検出する電流検出器とを備えたインバータ装置において、前記制御回路は、前記磁石回転子の位置決め時、前記電流検出器からの電流を前記制御回路へフィードバックし所定の位置決め電流に調節する場合、固定子巻線の抵抗値が既知であるとして、前記所定の位置決め電流と前記抵抗値とに基づいて前記インバータ回路から前記所定の位置決め電流を流すために必要となる電圧値を算出し、該電圧値と前記直流電源の直流電圧に基づいてスイッチング素子のデューティを算出し、該算出されたデューティと前記インバータ回路からの出力電圧の実際の出力デューティとを比較して、前記電流検出器が正常であるか故障しているかを診断するインバータ装置。
2. 直流電源のプラス側に接続される上アームスイッチング素子とマイナス側に接続される下アームスイッチング素子とを備えたインバータ回路と、前記直流電源からの直流電圧を検出する電圧検出器と、運転前において前記インバータ回路からモータへ直流電流を出力させて前記モータの磁石回転子の位置決めを行う制御回路と、前記モータの電流を検出する電流検出器とを備えたインバータ装置において、前記制御回路は、前記磁石回転子の位置決め時、前記電流検出器からの電流を前記制御回路へフィードバックせずスイッチング素子のデューティが一定の場合、前記デューティ及び固定子巻線の抵抗値が既知であるとして、前記デューティと前記直流電源の直流電圧に基づいて前記インバータ回路の出力電圧値を算出し、該出力電圧値と前記抵抗値とに基づいて電流値を算出し、該算出された電流値と前記電流検出器が検出する実際の出力電流値とを比較して、前記電流検出器が正常であるか故障しているかを診断するインバータ装置。
3. モータの温度を検出する温度センサを備え、前記固定子巻線の抵抗値と温度とが線形であることを利用して、前記温度センサからの温度に基づいて前記抵抗値を補正する請求項１または２に記載のインバータ装置。
4. 前記電流検出器は、複数の並列接続されるシャント抵抗により構成される請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載のインバータ装置。
5. 電動圧縮機に搭載され当該電動圧縮機のモータを駆動する請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載のインバータ装置。
6. 車両に搭載される請求項１から請求項５のうちいずれか一項に記載のインバータ装置。