JP6264333B2

JP6264333B2 - モータ駆動装置

Info

Publication number: JP6264333B2
Application number: JP2015134408A
Authority: JP
Inventors: 圭祐北村; 賢典清水
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2015-07-03
Filing date: 2015-07-03
Publication date: 2018-01-24
Anticipated expiration: 2035-07-03
Also published as: JP2017017925A; US20170001523A1; US9751408B2

Description

本発明は、車両駆動用のモータを駆動するモータ駆動装置に関する。

所謂自動車、バッテリフォークリフト等の電気車両及びハイブリット車両には、車両を駆動するためのモータと、このモータを駆動するためのモータ駆動装置が搭載される。モータ駆動装置は、バッテリからの直流電力を３相交流電力に変換して３相モータに供給する３相インバータと、このインバータを制御することによってモータの駆動制御を行う制御部とを備える。制御部は、車両におけるメインコントローラから受けるモータの指令回転数（指令回転速度）とモータの回転センサからのモータの実回転数（実回転速度）とに基づいて、モータの駆動制御を行う。特許文献１及び２には、この種のモータ駆動装置が記載されている。

また、特許文献１には、電気自動車やハイブリット自動車において、モータの回生制動中に発生し易い直流電源電圧の過電圧異常に対し、インバータにおけるスイッチング素子の保護のために（過電圧保護）、全アームのスイッチング素子を一斉遮断することが記載されている。

また、特許文献２には、バッテリフォークリフト等の電動車において、走行用モータの回生制動中に、バッテリが遮断されて、走行用モータに発生する回生エネルギーに起因して走行用チョッパ回路に対して過電圧が発生する場合に、走行用チョッパ回路を停止させると共に荷役用チョッパ回路を導通させることによって、走行用モータに発生した回生エネルギーを荷役用モータで消費し、過電圧を抑制し、走行用チョッパ回路における回路素子を保護することが記載されている。

特開２０００−３３３４６８号公報特開２０００−３２６０３号公報

しかしながら、モータの回生中に、インバータの全スイッチング素子を遮断してしまうと、すなわちインバータの出力を停止してしまうと、回生制動力を得ることができなくなってしまう。

そこで、本発明は、モータの回生中にインバータの入力側の直流電圧の過電圧状態が発生しても、回路素子の過電圧保護と回生制動力の維持とを両立することが可能なモータ駆動装置を提供することを目的とする。

本発明のモータ駆動装置は、バッテリを電源として、車両駆動用のモータを駆動する装置であって、バッテリからの直流電力を交流電力に変換し、この交流電力をモータに供給するインバータと、モータの回転数に基づいてインバータを制御することによって、モータの駆動制御を行う制御部と、インバータの入力側に並列に接続されたコンデンサと、コンデンサの両端電圧を検出する電圧センサとを備え、制御部は、モータの回生中に、電圧センサによって検出されたコンデンサの両端電圧が第１の閾値以上になるときには、インバータによる交流電力の出力を停止する出力停止制御を行い、電圧センサによって検出されたコンデンサの両端電圧が第１の閾値よりも小さい第２の閾値以下になるときには、インバータによる交流電力の出力を再開する出力再開制御を行い、これらの出力停止制御と出力再開制御との繰り返しを許可して断続的に回生制動をする。

このモータ駆動装置によれば、モータの回生中に、コンデンサの両端電圧が第１の閾値以上に上昇するときにはインバータの出力を停止する出力停止制御を行い、コンデンサの両端電圧が第１の閾値よりも小さい第２の閾値以下に低下するときにはインバータの出力を再開する出力再開制御を行い、これらの出力停止制御と出力再開制御との繰り返しを許可するので、モータの回生中に、コンデンサの両端電圧の過電圧状態、すなわち、インバータの入力側の直流電圧の過電圧状態が発生しても、インバータの出力を断続的に継続することができ、モータの回生制動力を断続的に得ることができる。また、出力停止制御の繰り返しによって、自身の回路素子の過電圧保護を行うことができる。したがって、モータ駆動装置自身、特にインバータ自身の回路素子の過電圧保護と、モータの回生制動力の維持とを両立することができる。

ところで、ロードダンプ状態のときに、インバータの入力側の直流電圧の過電圧状態が発生した場合には、インバータの出力を禁止する要求がある。ロードダンプ状態とは、バッテリとモータ駆動装置との接続が切り離された状態のことであり、例えば、バッテリとモータ駆動装置とを繋ぐケーブルが断線した場合等に発生する。

この点に関し、本願発明者は、通常回生時には、出力停止制御の際、すなわちインバータの出力停止後、コンデンサの両端電圧の低下が比較的に急峻であり、コンデンサの両端電圧の変化量（電圧の微分値）がマイナス側に比較的に大きいのに対し、ロードダンプ時には、出力停止制御の際、すなわちインバータの出力停止後、コンデンサの両端電圧の低下が緩やかであり、コンデンサの両端電圧の変化量がマイナス側に小さいことに着目する。

そこで、上記した制御部は、出力停止制御の際にコンデンサの両端電圧の変化量が第３の閾値を下回らないときにはカウントを増加し、カウントが所定値に達するとき、出力停止制御を継続し、出力再開制御を許可しない態様であってもよい。

これによれば、ロードダンプ状態のときに、インバータの入力側の直流電圧の過電圧状態が発生した場合には、インバータの出力を禁止することができる。

一方、上記した制御部は、出力停止制御の際にコンデンサの両端電圧の変化量が第３の閾値を下回るときにはカウントを増加せず、出力停止制御と出力再開制御との繰り返しを許可する態様であってもよい。

これによれば、ロードダンプ状態以外の通常回生時に、インバータの入力側の直流電圧の過電圧状態が発生した場合には、インバータの出力を断続的に継続することができ、モータの回生制動力を断続的に得ることができる。

また、上記した制御部は、出力再開制御の際ごとに、インバータの交流電力の出力を低減する態様であってもよい。

これによれば、インバータの出力を次第に低減することにより、回生を次第に低減することができ、インバータの入力側の直流電圧の過電圧状態を比較的に早く解消することができる。

本発明によれば、モータの回生中にインバータの入力側の直流電圧の過電圧状態が発生しても、回路素子の過電圧保護と回生制動力の維持とを両立することができる。

本発明の第１及び第２の実施形態に係るモータ駆動装置の構成を示す図である。第１の実施形態のモータ駆動装置の各部波形を示す図である。通常回生時におけるコンデンサの両端電圧及びその変化量を示す図である。ロードダンプ時におけるコンデンサの両端電圧及びその変化量を示す図である。第２の実施形態のモータ駆動装置の各部波形を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
［第１の実施形態］

図１は、本発明の第１の実施形態に係るモータ駆動装置の構成を示す図であり、図２は、この第１の実施形態のモータ駆動装置の各部波形を示す図である。図１に示すモータ駆動装置１は、所謂自動車、バッテリフォークリフト等の電気車両又はハイブリット車両における車両駆動用のモータを駆動する装置である。モータ駆動装置１は、バッテリ２からの直流電力を３相交流電力に変換し、この３相交流電力によって３相モータ３を駆動する。モータ駆動装置１は、インバータ１１と、コンデンサ１２と、電圧センサ１３と、電流センサ１４と、制御部１５とを備える。

インバータ１１は、６個のスイッチング素子によって構成された３相インバータであり、バッテリ２からの直流電力を３相交流電力に変換し、この３相交流電力をモータ３へ供給する。モータ３には回転センサ４が取り付けられており、回転センサ４は、モータ３の実回転数（実回転速度）Ｎ_Ａを検出して制御部１５へ送信する。

インバータ１１の入力側にはコンデンサ１２及び電圧センサ１３が並列に接続されている。電圧センサ１３は、コンデンサ１２の両端電圧Ｖｃを検出して制御部１５へ送信する。換言すれば、電圧センサ１３は、インバータ１１の入力側の直流電圧を検出して制御部１５へ送信する。

また、インバータ１１の出力側には電流センサ１４が配置されている。電流センサ１４は、モータ３の各相の実電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検出して制御部１５へ送信する。

制御部１５は、指令回転数（指令回転速度）Ｎ_Ｔとモータ３の回転センサ４からの実回転数（実回転速度）Ｎ_Ａとに基づいて電流指令（トルク電流）Ｉ_Ｔを生成し、この電流指令Ｉ_Ｔと実電流（トルク電流）Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗとから、インバータ１１における各相用スイッチング素子を駆動するための各相用制御信号Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗを生成する。なお、指令回転数（指令回転速度）Ｎ_Ｔとは、例えば、車両におけるメインコントローラ（図示せず）から供給される、モータ３の出力１００％に対応する最大回転数である。このようにして、制御部１５は、インバータ１１のフィードバック制御を行うことによって、モータ３の駆動制御を行う。

また、制御部１５は、指令回転数Ｎ_Ｔ又は実電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗから、モータ３の回生を識別する。具体的には、図２に示すように、制御部１５は、指令回転数Ｎ_Ｔがゼロになる場合、又は、実電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの極性（方向）が逆転する場合に、モータ３の回生を識別する。なお、図２には、モータ３からインバータ１１へ向けて流れる実電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが示されている。

そして、制御部１５は、モータ３の回生中に、コンデンサ１２の両端電圧Ｖｃが過電圧検出閾値（第１の閾値）Ｖｔｈ１以上になるときに、インバータ１１の入力側の直流電圧が過電圧状態であると判断し、インバータ１１による交流電力の出力を停止する（出力停止制御）。具体的には、制御部１５は、６つのスイッチング素子によるスイッチング動作を停止することによって、インバータ１１の交流出力を停止する。

また、制御部１５は、モータ３の回生中に、コンデンサ１２の両端電圧Ｖｃが過電圧復帰閾値（第２の閾値）Ｖｔｈ２以下になるときに（Ｖｔｈ２＜Ｖｔｈ１）、インバータ１１の入力側の直流電圧が過電圧状態から復帰したと判断し、インバータ１１による交流電力の出力を再開する（出力再開制御）。具体的には、制御部１５は、６つのスイッチング素子によるスイッチング動作を再開することによって、インバータ１１の交流出力を再開する。

また、制御部１５は、モータ３の回生中に、上記した出力停止制御と出力再開制御とを継続的に繰り返すことを許可する。これにより、モータ３の回生中に、インバータ１１の入力側の直流電圧が過電圧状態となると、図２に示すように、インバータ１１の出力停止・復帰が短い間隔で繰り返され、インバータの出力が断続的に継続され、モータの回生制動力が断続的に得られることとなる。

なお、過電圧検出閾値Ｖｔｈ１と過電圧復帰閾値Ｖｔｈ２との差を小さく設定すると、インバータ１１の出力復帰が早くなり、モータの回生制動期間が長くなる。一方、過電圧検出閾値Ｖｔｈ１と過電圧復帰閾値Ｖｔｈ２との差を大きく設定すると、インバータ１１の出力復帰が遅くなり、過電圧保護期間が長くなる。

ところで、ロードダンプ状態のときに、インバータ１１の入力側の直流電圧の過電圧状態が発生した場合には、インバータ１１の交流出力を禁止する要求がある。ロードダンプ状態とは、バッテリ２とモータ駆動装置１との接続が切り離された状態のことであり、例えば、バッテリ２とモータ駆動装置１とを繋ぐケーブルが断線した場合等に発生する。

この点に関し、本願発明者は、通常回生時には、図３に示すように、出力停止制御の際、すなわち、インバータ１１の出力停止後、コンデンサ１２の両端電圧Ｖｃの低下が比較的に急峻であり、コンデンサ１２の両端電圧の変化量ｄＶｃ／ｄｔがマイナス側に比較的に大きいのに対し、ロードダンプ時には、図４に示すように、出力停止制御の際、すなわち、インバータ１１の出力停止後、コンデンサ１２の両端電圧Ｖｃの低下が緩やかであり、コンデンサ１２の両端電圧の変化量ｄＶｃ／ｄｔがマイナス側に小さいことに着目する。

そこで、制御部１５は、図４に示すように、出力停止制御の際に、コンデンサ１２の両端電圧の変化量ｄＶｃ／ｄｔが閾値（第３の閾値）Ｖｔｈ３を下回らないときには、ロードダンプ状態と判断し、コンデンサ両端電圧Ｖｃが過電圧検出閾値Ｖｔｈ１を越えるたびに過電圧検出カウントＫを増加する。例えば、制御部１５は、コンデンサ１２の両端電圧の変化量ｄＶｃ／ｄｔを２ｍｓ毎に監視し、出力再開制御後には、１秒以内に再度過電圧状態を検出する際に過電圧検出カウントＫを増加する。そして、制御部１５は、過電圧検出カウントＫが所定値、例えば４回に達したら、回生中であっても、出力停止制御を継続し、出力再開制御を許可しない。これにより、ロードダンプ状態のときに、インバータ１１の入力側の直流電圧の過電圧状態が発生した場合には、インバータ１１の出力を禁止することができる。なお、例えば車両のキースイッチＯＦＦ→ＯＮによりリセットされるまで、インバータ１１の出力禁止状態が継続される。

一方、図３に示すように、制御部１５は、出力停止制御の際に、コンデンサ１２の両端電圧の変化量ｄＶｃ／ｄｔが閾値Ｖｔｈ３を下回るときには、通常回生状態と判断し、過電圧検出カウントＫを増加しない。例えば、制御部１５は、過電圧検出カウントＫをその都度リセットすることによって、過電圧検出カウントＫを増加しないようにしてもよい。これにより、ロードダンプ状態以外の通常回生時に、インバータ１１の入力側の直流電圧の過電圧状態が発生した場合には、インバータ１１の出力を断続的に継続することができ、モータの回生制動力を断続的に得ることができる。

以上説明したように、この第１の実施形態に係るモータ駆動装置１によれば、モータ３の回生中に、コンデンサ１２の両端電圧Ｖｃが過電圧検出閾値（第１の閾値）Ｖｔｈ１以上に上昇するときにはインバータ１１の出力を停止し（出力停止制御）、コンデンサ１２の両端電圧Ｖｃが過電圧復帰閾値（第２の閾値）Ｖｔｈ２以下に低下するときにはインバータ１１の出力を再開し（出力再開制御）（Ｖｔｈ２＜Ｖｔｈ１）、これらの出力停止制御と出力再開制御との繰り返しを許可するので、モータ３の回生中に、コンデンサ１２の両端電圧Ｖｃの過電圧状態、すなわち、インバータ１１の入力側の直流電圧の過電圧状態が発生しても、インバータ１１の出力を断続的に継続することができ、モータ３の回生制動力を断続的に得ることができる。また、出力停止制御の繰り返しによって、自身の回路素子の過電圧保護を行うことができる。したがって、モータ駆動装置自身、特にインバータ自身の回路素子の過電圧保護と、モータの回生制動力の維持とを両立することができる。
［第２の実施形態］

図１は、本発明の第２の実施形態に係るモータ駆動装置の構成を示す図であり、図５は、この第２の実施形態のモータ駆動装置の各部波形を示す図である。第２の実施形態のモータ駆動装置１Ａは、モータ駆動装置１において制御部１５に代えて制御部１５Ａを備える点で第１の実施形態と異なる。モータ駆動装置１Ａのその他の構成は、モータ駆動装置１と同一である。

制御部１５Ａは、制御部１５と同一の機能を有する。更に、制御部１５Ａは、図５に示すように、出力再開制御の際ごとに、電流指令（トルク電流）Ｉ_Ｔを一定割合ずつ低減することによって、インバータ１１の出力Ｖｏｕｔを一定割合ずつ低減する。具体的には、制御部１５Ａは、モータ３の出力１００％に対応するインバータ１１の最大出力の制限値を一定割合ずつ下げる。すなわち、早く制限値に達するようにする。なお、制御部１５Ａは、例えば、回生から力行に遷移するタイミングで、インバータ１１の出力制限を解除する。

この第２の実施形態のモータ駆動装置１Ａでも、第１の実施形態のモータ駆動装置１と同様の利点を得ることができる。

更に、この第２の実施形態のモータ駆動装置１Ａによれば、インバータ１１の出力Ｖｏｕｔを次第に下げることにより、回生を次第に低減することができ、インバータ１１の入力側の直流電圧の過電圧状態を比較的に早く解消することができる。

なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、本実施形態では、ロードダンプ状態と通常回生状態との識別を行い、ロードダンプ状態のときには出力停止制御を継続し、出力再開制御を許可しない態様、すなわち、インバータ１１の入力側の直流電圧の過電圧状態が発生した場合にはインバータ１１の出力を禁止する態様を例示したが、ロードダンプに関する要求がない場合には、ロードダンプ状態と通常回生状態との識別を行わず、回生中であれば常に出力停止制御と出力再開制御との繰り返しを許可する態様であってもよい。

また、本実施形態では、ロードダンプ時、過電圧検出カウントＫが所定値、例えば４以上でインバータ１１の出力を禁止する態様を例示したが、所定値は４に限定されない。例えば、所定値は２以上の整数であってもよい。

また、本発明の特徴は、電磁誘導式モータのみならず、電磁石式モータを備える電気車両及びハイブリット車両に適用可能である。

１，１Ａ…モータ駆動装置、２…バッテリ、３…モータ、４…回転センサ、１１…インバータ、１２…コンデンサ、１３…電圧センサ、１４…電流センサ、１５，１５Ａ…制御部、Ｎ_Ｔ…指令回転数、Ｎ_Ａ…実回転数、Ｉ_Ｔ…電流指令、Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ…実電流、Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗ…制御信号、Ｖｃ…コンデンサの両端電圧、ｄＶｃ／ｄｔ…コンデンサの両端電圧の変化量、Ｖｔｈ１…過電圧検出閾値（第１の閾値）、Ｖｔｈ２…過電圧復帰閾値（第２の閾値）、Ｖｔｈ３…閾値（第３の閾値）、Ｖｏｕｔ…インバータの出力、Ｋ…過電圧検出カウント。

Claims

バッテリを電源として、車両駆動用のモータを駆動する装置であって、
前記バッテリからの直流電力を交流電力に変換し、前記交流電力を前記モータに供給するインバータと、
前記モータの回転数に基づいて前記インバータを制御することによって、前記モータの駆動制御を行う制御部と、
前記インバータの入力側に並列に接続されたコンデンサと、
前記コンデンサの両端電圧を検出する電圧センサと、を備え、
前記制御部は、前記モータの回生中に、
前記電圧センサによって検出された前記コンデンサの両端電圧が第１の閾値以上になるときには、前記インバータによる前記交流電力の出力を停止する出力停止制御を行い、
前記電圧センサによって検出された前記コンデンサの両端電圧が前記第１の閾値よりも小さい第２の閾値以下になるときには、前記インバータによる前記交流電力の出力を再開する出力再開制御を行い、
前記出力停止制御と前記出力再開制御との繰り返しを許可して断続的に回生制動をし、
前記出力停止制御の際に前記コンデンサの両端電圧の変化量が第３の閾値を下回るときには、前記出力停止制御と前記出力再開制御との繰り返しを許可して断続的に回生制動する、モータ駆動装置。
前記制御部は、
前記出力停止制御の際に前記コンデンサの両端電圧の変化量が第３の閾値を下回らないときにはカウントを増加し、
前記カウントが所定値に達するとき、前記出力停止制御を継続し、前記出力再開制御を許可しない、請求項１に記載のモータ駆動装置。
前記制御部は、前記出力停止制御の際に前記コンデンサの両端電圧の変化量が第３の閾値を下回るときにはカウントを増加しない、請求項１又は２に記載のモータ駆動装置。
前記制御部は、前記出力再開制御の際ごとに、前記インバータの前記交流電力の出力を低減する、請求項１〜３の何れか１項に記載のモータ駆動装置。