JP5465269B2 - 故障検出回路を備えた電動機駆動装置および電動機駆動装置の故障検出方法 - Google Patents
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Description
電流センサの故障を検出する方法として、直流電源側に接続された電流センサで直流電流を検出し、これに基づき出力相電流を演算し、ゼロ電圧ベクトル期間に電流センサ故障を検出する方法が開示されている(例えば、特許文献1)。
この発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、電動機の回転数に関わらず、通常運転中も電流センサを含む直流電流検出回路の故障を検出することができる故障検出回路を備えた電動機駆動装置およびその故障検出方法を提供することを目的とする。
実施の形態1は、3相巻線電動機を駆動するブリッジ回路と、直流電源と、PWM(Pulse Width Modulation)制御回路と、PWM信号発生回路と、直流電流検出回路と、相電流演算回路と、故障検出回路とを備え、故障検出回路はブリッジ回路の高電位側アーム全オンのゼロ電圧ベクトル期間と低電位側アーム全オンのゼロ電圧ベクトル期間の直流電流検出値から直流電流検出回路の故障を判定する構成とした故障検出回路を備えた電動機駆動装置およびその故障検出方法に関するものである。
以下、本願発明の実施の形態1の構成、動作について、故障検出回路を備えた電動機駆動装置のシステム構成図である図1、PWM信号生成の一般的説明図である図2、PWM制御の動作説明図である図3、PWM信号生成の説明図である図4、故障検出回路の動作説明図である図5、および故障検出フローチャートである図6に基づいて説明する。
図1において、故障検出回路を備えた電動機駆動装置1は、電動機100を駆動するためにブリッジ回路200、直流電源300、直流電流検出回路400、制御部500、故障検出回路600から構成される。
また、制御部500は、相電流演算回路501、PWM制御回路502およびPWM信号生成回路503から構成される。
ブリッジ回路200は、U、V、W各相に対応して配置され、直流電源300の正極端側と相線間をスイッチングする高電位側アーム(以降、適宜上アームという)21u、21v、21wと、直流電源300の負極端側と相線間をスイッチングする低電位側アーム(以降、適宜下アームという)22u、22v、22wを備える。さらに、ブリッジ回路200は、各上アームに対応した高電位側駆動回路23u、23v、23w、および各下アームに対応した低電位側駆動回路24u、24v、24wを備える。
以降、高電位側アーム21u、21v、21wを一括していう場合は上アーム21、
低電位側アーム22u、22v、22wを一括していう場合は下アーム22という。また、高電位側駆動回路23u、23v、23wを一括していう場合は上アーム駆動回路23、低電位側駆動回路24u、24v、24wを一括していう場合は下アーム駆動回路24という。
ブリッジ回路200の上アーム21の高電位側が夫々接続され、その接続端が直流電源300の正極端側に接続されている。下アーム22の低電位側が夫々接続され、その接続端が直流電流検出回路400の一端に接続されており、その他端は直流電源300の負極端側に接続されている。
上アーム21uのソース電極と、下アーム22uのドレイン電極の接続端が3相巻線電動機100の巻線a1に接続されている。上アーム21vのソース電極と、下アーム22vのドレイン電極の接続端が3相巻線電動機100の巻線b1に接続されている。上アーム21wのソース電極と、下アーム22wのドレイン電極の接続端が3相巻線電動機100の巻線c1に接続されている。
それぞれの上アーム21、下アーム22に並列接続されているダイオード(符番号省略)は、MOSFET(Metal−Oxide−Semiconductor Field−Effect Transistor)の寄生ダイオードを示している。
直流電流検出回路400は、例えばシャント抵抗やDC−CT(Direct Current−Current Transformer)などの電流センサで構成され、直流電源300の直流電流、すなわちブリッジ回路200の直流側の直流電流idcを検出し、検出値を制御部500と故障検出回路600に出力する。
なお、実施の形態1では、キャリア信号として三角波を用いており、三角波比較を用いた三相変調について、以下説明する。
図2は、三角波比較による三相変調において、ブリッジ回路のU、V、W各相の電圧指令がU>V>Wとなる期間におけるPWM制御回路502から出力されるスイッチングパターンを示す。
図2において、U、V、Wは、ブリッジ回路のU、V、W各相の電圧指令を表し、通常それぞれ位相が120[deg]ずれた交流波形である。3相出力電圧の周波数に対して、キャリア信号の周波数は十分高いため、U、V、Wは一定値(直線)で表している。
Gu1、Gv1、Gw1は、U、V、W相各のPWM信号を表し、Caはキャリア信号である。
ここで、スイッチング状態「0」は、上アームがオフ状態、下アームがオン状態を表し、スイッチング状態「1」は、上アームがオン状態、下アームがオフ状態を表す。
図2のt0期間では、電圧ベクトルはV10(0、0、0)となり、直流電源300側には電流が流れない。
t1期間では、電圧ベクトルはV14(1、0、0)となり、idc=iuとなる。
t2期間では、電圧ベクトルはV16(1、1、0)となり、idc=−iwとなる。
この時点でU相とW相の2相の電流が検出できる。三相電流の和はゼロとなるため、V相電流ivは、iv=−iw−iuとして推定することができる。
上記の演算を繰り返すことで、直流電源300側の直流電流を検出することで出力相電流を復元することができる。
PWM制御回路502は、相電流演算回路501で推定された電流値を元に、電動機100に対する周波数指令やトルク指令(図示せず)などによって、電動機100を所望の状態に制御するための電圧指令を生成する。
PWM信号生成回路503は、PWM制御回路502で生成された電圧指令をもとにPWM信号を生成する。
図4は、故障検出回路600の動作に関連するPWM信号生成を説明する図であり、図2と同様に、スイッチングパルスを生成するために三角波比較を用いている。図4は、故障検出に利用するt3期間とt6期間を中心に表しており、t2〜t5は、図2と同様である。
以下、直流電流検出回路400、上アーム21および下アーム22が全て正常の場合、直流電流検出回路400が故障の場合、上アーム21が短絡故障している場合、下アーム22が短絡故障している場合について説明する。
t3期間では、上アーム21u、21v、21wがオンである。下アーム22u、22v、22wがすべて正常でオフであれば、直流電源300側には電流が流れない。このため、直流電流検出回路400からはゼロが出力される。
t6期間では、下アーム22u、22v、22wがオンである。上アーム21u、21v、21wがすべて正常でオフであれば、直流電源300側には電流が流れない。このため、直流電流検出回路400からはゼロが出力される。
t3期間では、上アーム21u、21v、21wがオンである。下アーム22u、22v、22wのいずれかが短絡故障している場合には、直流電源300側に短絡電流が流れる。このため、直流電流検出回路400からはゼロ以外の値(idc≠0)が出力される。
t6期間では、下アーム22u、22v、22wがオンである。下アーム22u、22v、22wのいずれかが短絡故障している場合でも、上アーム21u、21v、21wが全て正常でオフしていれば、直流電源300側に短絡電流は流れない。このため、直流電流検出回路400からはゼロ(idc=0)が出力される。
t3期間では、上アーム21u、21v、21wがオンである。上アーム21u、21v、21wのいずれかが短絡故障している場合でも、下アーム22u、22v、22wが全て正常でオフしていれば、直流電源300側に短絡電流は流れない。このため、直流電流検出回路400からはゼロ(idc=0)が出力される。
t6期間では、下アーム22u、22v、22wがオンである。上アーム21u、21v、21wのいずれかが短絡故障している場合には、直流電源300側に短絡電流が流れる。このため、直流電流検出回路400からはゼロ以外の値(idc≠0)が出力される。
t3期間では、上アーム21u、21v、21wがオンである。下アーム22u、22v、22wが全て正常でオフしていれば、本来直流電流検出回路400からはゼロ(idc=0)が出力される。しかし、直流電流検出回路400が故障の場合は、ゼロ以外の値(idc≠0)が出力される。
t6期間でも、本来直流電流検出回路400からはゼロ(idc=0)が出力されるが、ゼロ以外の値(idc≠0)が出力される。
ステップS5の判定結果が、NOの場合はステップS8に進み、上アーム21の短絡故障と判定し、ステップS11で処理を終了する。
ステップS6の判定結果が、NOの場合はステップS10に進み、直流電流検出回路400の故障と判定し、ステップS11で処理を終了する。
実施の形態2の故障検出回路を備えた電動機駆動装置は、実施の形態1で説明した発明を多重巻線電動機に適用したものである。
実施の形態2は、多重巻線電動機を駆動する複数ブリッジ回路と、直流電源と、PWM制御回路と、PWM信号発生回路と、複数の直流電流検出回路と、相電流演算回路と、故障検出回路とを備え、故障検出回路は複数のブリッジ回路の高電位側アーム全オンのゼロ電圧ベクトル期間と低電位側アーム全オンのゼロ電圧ベクトル期間の直流電流検出値から複数の直流電流検出回路の故障を判定する構成とした故障検出回路を備えた電動機駆動装置に関するものである。
図7において、図1と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
図7において、故障検出回路を備えた電動機駆動装置2は、多重巻線電動機110を駆動するためにブリッジ回路210、直流電源300、直流電流検出回路410、制御部510、故障検出回路610から構成される。
また、制御部510は、相電流演算回路511、PWM制御回路512およびPWM信号生成回路513から構成される。
ブリッジ回路210は第1のブリッジ回路211と第2のブリッジ回路212から構成され、直流電源300から供給された直流電力を交流電力に変換し、多重巻線電動機110を駆動する。
直流電源300は、バッテリなどの直流電源でありブリッジ回路210へ直流電力を供給する。
故障検出回路610の検出対象は、直流電流検出回路410(第1の直流電流検出回路411と第2の直流電流検出回路412)およびブリッジ回路210(第1のブリッジ回路211と第2のブリッジ回路212)であるが、動作は実施の形態1と同様であるため、説明を省略する。
故障検出回路610において、直流電流検出回路410の故障を検出するタイミングは、それぞれの直流電流検出回路すなわち第1の直流電流検出回路411と第2の直流電流検出回路412で同じであっても良いし、異なっていても良い。
また、故障検出回路610において、ブリッジ回路210の故障を検出するタイミングは、それぞれのブリッジ回路、すなわち第1のブリッジ回路211と第2のブリッジ回路212で同じであっても良いし、異なっていても良い。
多重巻線電動機を駆動する複数ブリッジ回路と、直流電源と、PWM制御回路と、PWM信号発生回路と、複数の直流電流検出回路と、相電流演算回路と、故障検出回路とを備え、故障検出回路は複数のブリッジ回路の高電位側アーム全オンのゼロ電圧ベクトル期間と低電位側アーム全オンのゼロ電圧ベクトル期間の直流電流検出値から複数の直流電流検出回路の故障を判定する構成としたものであるため、多重巻線電動機の回転数に関わらず、通常運転中も電流センサを含む直流電流検出回路の故障を検出することができる。
21u,21v,21w 高電位側アーム、22u,22v,22w 低電位側アーム、
23u,23v,23w 高電位側駆動回路、
24u,24v,24w 低電位側駆動回路、100 3相巻線電動機、
110 多重巻線電動機、111 第1の3相巻線、112 第2の3相巻線、
200,210 ブリッジ回路、211 第1のブリッジ回路、
212 第2のブリッジ回路、300 直流電源、400,410 直流電流検出回路、
411 第1の直流電流検出回路、412 第2の直流電流検出回路、
500,510 制御部、501,511 相電流演算回路、
502,512 PWM制御回路、503,513 PWM信号生成回路、
600,610 故障検出回路。
Claims (8)
- 電動機を駆動する高電位側アームと低電位側アームから構成されるブリッジ回路と、
前記電動機を駆動するための電圧指令を生成するPWM制御回路と、
前記電圧指令からPWM信号を生成するPWM信号発生回路と、
前記ブリッジ回路の直流側の直流電流idcを検出する直流電流検出回路と、
前記直流電流idcと前記PWM信号とに基づき前記ブリッジ回路の出力相電流を演算する相電流演算回路と、
前記直流電流検出回路の故障を検出する故障検出回路とを備え、
前記故障検出回路は、前記ブリッジ回路の前記高電位側アーム全オンのゼロ電圧ベクトル期間においてidc≠0でかつ前記低電位側アーム全オンのゼロ電圧ベクトル期間においてidc≠0の場合前記直流電流検出回路の故障と判定する構成とした故障検出回路を備えた電動機駆動装置。 - 前記故障検出回路は、前記ブリッジ回路の高電位側アーム全オンのゼロ電圧ベクトル期間と低電位側アーム全オンのゼロ電圧ベクトル期間の直流電流検出値から、
さらに前記ブリッジ回路の前記高電位側アーム全オンのゼロ電圧ベクトル期間においてidc=0でかつ前記低電位側アーム全オンのゼロ電圧ベクトル期間においてidc≠0の場合前記ブリッジ回路の高電位側アームの短絡故障と判定し、前記ブリッジ回路の前記高電位側アーム全オンのゼロ電圧ベクトル期間においてidc≠0でかつ前記低電位側アーム全オンのゼロ電圧ベクトル期間においてidc=0の場合前記ブリッジ回路の低電位側アームの短絡故障と判定する請求項1記載の故障検出回路を備えた電動機駆動装置。 - 多重巻線電動機を駆動する高電位側アームと低電位側アームから構成される複数のブリッジ回路と、
前記多重巻線電動機を駆動するための電圧指令を生成するPWM制御回路と、
前記電圧指令からPWM信号を生成するPWM信号発生回路と、
前記複数のブリッジ回路の直流側の直流電流idcを検出する複数の直流電流検出回路と、
前記直流電流idcと前記PWM信号とに基づき前記複数のブリッジ回路の出力相電流を演算する相電流演算回路と、
前記複数の直流電流検出回路の故障を検出する故障検出回路とを備え、
前記故障検出回路は前記複数のブリッジ回路の高電位側アーム全オンのゼロ電圧ベクトル期間においてidc≠0でかつ低電位側アーム全オンのゼロ電圧ベクトル期間においてidc≠0の場合前記複数の直流電流検出回路の故障と判定する構成とした故障検出回路を備えた電動機駆動装置。 - 前記故障検出回路は、前記複数のブリッジ回路の高電位側アーム全オンのゼロ電圧ベクトル期間と低電位側アーム全オンのゼロ電圧ベクトル期間の直流電流検出値から、
さらに前記ブリッジ回路の前記高電位側アーム全オンのゼロ電圧ベクトル期間においてidc=0でかつ前記低電位側アーム全オンのゼロ電圧ベクトル期間においてidc≠0の場合前記複数のブリッジ回路の高電位側アームの短絡故障と判定し、前記ブリッジ回路の前記高電位側アーム全オンのゼロ電圧ベクトル期間においてidc≠0でかつ前記低電位側アーム全オンのゼロ電圧ベクトル期間においてidc=0の場合前記ブリッジ回路の低電位側アームの短絡故障と判定する請求項3記載の故障検出回路を備えた電動機駆動装置。 - 前記故障検出回路が前記複数のブリッジ回路の高電位側アーム全オンのゼロ電圧ベクトル期間と低電位側アーム全オンのゼロ電圧ベクトル期間の直流電流検出値から前記複数の直流電流検出回路の故障を判定するタイミングが、
前記複数の直流電流検出回路においてそれぞれ異なる請求項3に記載の故障検出回路を備えた電動機駆動装置。 - 前記故障検出回路が前記複数のブリッジ回路の高電位側アーム全オンのゼロ電圧ベクトル期間と低電位側アーム全オンのゼロ電圧ベクトル期間の直流電流検出値から前記複数の直流電流検出回路の故障を判定するタイミングが、前記複数の直流電流検出回路において同一である請求項3に記載の故障検出回路を備えた電動機駆動装置。
- 電動機を駆動する高電位側アームと低電位側アームから構成されるブリッジ回路と、
前記電動機を駆動するための電圧指令を生成するPWM制御回路と、
前記電圧指令からPWM信号を生成するPWM信号発生回路と、
前記ブリッジ回路の直流側の直流電流idcを検出する直流電流検出回路と、
前記直流電流idcと前記PWM信号とに基づき前記ブリッジ回路の出力相電流を演算する相電流演算回路と、
前記直流電流検出回路の故障を検出する故障検出回路とを備えた電動機駆動装置において、
高電位側アーム全オンのゼロ電圧ベクトル期間における前記直流電流idcを取得する処理と、
低電位側アーム全オンのゼロ電圧ベクトル期間における前記直流電流idcを取得する処理と、
前記高電位側アーム全オンのゼロ電圧ベクトル期間においてidc≠0でかつ前記低電位側アーム全オンのゼロ電圧ベクトル期間においてidc≠0の場合、前記直流電流検出回路は故障と判定する処理と、から成る電動機駆動装置の故障検出方法。 - さらに、
前記高電位側アーム全オンのゼロ電圧ベクトル期間においてidc=0でかつ前記低電位側アーム全オンのゼロ電圧ベクトル期間においてidc≠0の場合、前記高電位側アームが短絡故障と判定する処理と、
前記高電位側アーム全オンのゼロ電圧ベクトル期間においてidc≠0でかつ前記低電位側アーム全オンのゼロ電圧ベクトル期間においてidc=0の場合、前記低電位側アームが短絡故障と判定する処理とを、追加した請求項7に記載の電動機駆動装置の故障検出方法。
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