JP6370513B1 - 電力変換装置およびロジック回路 - Google Patents

Abstract

電力変換装置としてのモータ駆動装置（１１１）は、直流電力を交流電力に変換してモータ（４）に供給する電力変換回路（３）と、電力変換回路を構成する複数のスイッチング素子を制御する制御回路（１１０）と、電力変換回路（３）に流出入する直流電流を検出する直流電流検出回路（１０６）と、ロジック回路で構成され、制御回路（１１０）が複数のスイッチング素子（９）に対して出力する制御信号（２０）と直流電流検出回路（１０６）による検出結果とに基づいて、スイッチング素子（９）の異常、または、電力変換回路（３）とモータ（４）とを接続する動力線の断線を検出する断線検出部（１０８）と、を備える。

Description

本発明は動力線の断線検知機能を備えた電力変換装置に関する。

動力線の断線検知を行う技術として、特許文献１には、電力変換回路の直流側に設けられた電流検出手段により電圧最大相または電圧最小相の電流が流れている期間における直流電流値を用いて、負荷の断線または電力変換回路のスイッチング素子異常を判断する技術が開示されている。また、特許文献２には、電力変換回路外に設けられた電流センサによる相電流の絶対値、指令トルク、相電流の変化速度の絶対値を用いて断線を判断する技術が開示されている。

特開２０１０−１１６３６号公報 特開２０１４−８５２８６号公報

特許文献１に記載された発明では、電圧最大相または電圧最小相の電流が流れている期間の電流値を検出する必要があり、特許文献１の図１に示されているように、電圧指令作成も行えるようなマイクロコンピュータ（以下、マイコンと称する）といった高度な演算処理装置を必要とする。そのため、スイッチング周期が短い場合は演算が間に合わない、すなわち、適用できるキャリア周期が制約されるという問題がある。更に、マイコン等の演算処理装置をスイッチング素子と１パッケージにする場合、熱対策およびノイズ対策が必要となり、パッケージの大型化および高コスト化の要因となる。

また、特許文献２に記載された発明では、断線判断のために電力変換回路外に電流センサを設ける必要があり、回路の大型化および高コスト化の要因となる。更に、指令トルクに基づいて動作を行うため、マイコン等の演算処理装置が必要であり、特許文献１に記載された発明と同様の課題がある。

このように、特許文献１および２に記載された発明では断線判断をするためにマイコン等の演算処理装置による解析および電力変換回路外のセンサが必要となり、パッケージの大型化および高コスト化の要因となる。また、適用可能なキャリア周波数が制約される。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、装置の小型化および断線検知の高性能化を実現可能な電力変換装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する電力変換回路と、電力変換回路を構成する複数のスイッチング素子を制御する制御回路と、電力変換回路に流出入する直流電流を検出する直流電流検出回路とを備える。また、電力変換装置は、ロジック回路で構成され、制御回路が複数のスイッチング素子に対して出力する制御信号と直流電流検出回路による検出結果とに基づいて、スイッチング素子の異常、または、電力変換回路と負荷とを接続する動力線の断線を検出する異常検出部と、を備える。

本発明にかかる電力変換装置は、装置の小型化および断線検知の高性能化を実現できる、という効果を奏する。

実施の形態１にかかる電力変換装置の構成例を示す図 実施の形態１にかかる電圧指令作成部の構成例を示す図 実施の形態１にかかる直流電流検出回路の動作を説明するための図 実施の形態１にかかる断線検出部の構成例を示す図 実施の形態１にかかるモータ駆動装置のインバータ回路の制御で使用する電圧指令値、搬送波およびＰＷＭ信号の一例を示す図 図５に示したＰＷＭ信号でインバータ回路を制御する場合に発生し得る全てのスイッチングパターンを示す図 実施の形態１にかかるモータ駆動装置のインバータ回路の制御で使用する電圧指令値、搬送波およびＰＷＭ信号の他の例を示す図 実施の形態１にかかる断線検出部の他の構成例を示す図 実施の形態２にかかる電力変換装置の構成例を示す図 実施の形態２にかかる電力変換装置における故障箇所とスイッチングパターンの対応関係を示す図 実施の形態２にかかる電力変換装置の異常通知部が出力する異常箇所特定信号の例を示す図 実施の形態３にかかる電力変換装置の構成例を示す図 実施の形態３にかかる電力変換装置の電流検出回路異常診断部による異常検出方法の第１の例を示す図 実施の形態３にかかる電力変換装置の電流検出回路異常診断部による異常検出方法の第２の例を示す図 実施の形態４にかかる電力変換装置の構成例を示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかる電力変換装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの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にかかる電力変換装置の構成例を示す図である。図１は、本実施の形態にかかる電力変換装置がモータ駆動装置１１１である場合の例を示しており、モータ駆動装置１１１には負荷としてモータ４が接続されている。

図１に示したように、本実施の形態にかかるモータ駆動装置１１１は、複数のスイッチング素子９からなる電力変換回路であるインバータ回路３と、インバータ回路３のＮ側に接続されたシャント抵抗５と、電圧指令作成部１と、ＰＷＭパルス生成器１３と、直流電流検出回路１０６と、を備える。また、モータ駆動装置１１１は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のそれぞれの動力線１２７に接続されたシャント抵抗１０５と、モータ電流検出回路１０７と、モータ電流検出部１１８と、断線検出部１０８と、異常通知部１１９と、アラーム処理部１２０と、ドライブ回路２とを備える。スイッチング素子９としてはＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が例示できる。図１においては、Ｕ相のＰ側すなわち上アーム側のスイッチング素子を「Ｕ＋」で表現し、Ｕ相のＮ側すなわち下アーム側のスイッチング素子を「Ｕ−」で表現している。Ｖ相およびＷ相のスイッチング素子についても同様である。

モータ電流検出部１１８と、電圧指令作成部１と、ＰＷＭパルス生成器１３と、アラーム処理部１２０とを、マイコンまたはＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）といった半導体集積回路によって１つの制御回路１１０に収めることも可能である。また、動力線１２７に接続されたシャント抵抗１０５は３相ではなく任意の２相（Ｕ相とＶ相、Ｕ相とＷ相、またはＶ相とＷ相）とすることも可能である。また、直流電流検出回路１０６と、断線検出部１０８と、異常通知部１１９と、ドライブ回路２とを多機能ドライブ回路１１３として１パッケージに収めることも可能である。また、スイッチング素子９からなるインバータ回路３と、インバータ回路３のＮ側に接続されたシャント抵抗５と、直流電流検出回路１０６と、断線検出部１０８と、異常通知部１１９と、ドライブ回路２とをＩＰＭ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ）１１２として１パッケージに収めることも可能である。

電圧指令作成部１は、モータ電流検出部１１８で検出したモータ電流検出値２５およびモータ定数に基づき３相電圧指令値２４を作成する。モータ４は、例えば回転子が永久磁石で構成され、この回転子の周囲に交流磁界を形成するための巻線が複数個配置されている構成の永久磁石モータである。永久磁石モータを駆動する場合は、一般的によく知られているｄｑ軸座標系での電流制御により電圧指令を生成し、電圧指令により永久磁石モータを駆動することが可能である。この場合、電圧指令作成部１は、例えば、図２に示した３相２相変換器５０１、電流制御器５０２、非干渉制御器５０３および２相３相変換器５０４で構成される。３相２相変換器５０１は、３相交流軸のモータ電流検出値（Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）２５を、電気角θｅを用いたｄｑ変換によりｄ軸およびｑ軸の電流（Ｉｄ，Ｉｑ）へ座標変換する。電流制御器５０２は、ｄ軸の電流指令値Ｉｄ*から電流値Ｉｄを減算した値（Ｉｄ*−Ｉｄ）と、ｑ軸の電流指令値Ｉｑ*から電流値Ｉｑを減算した値（Ｉｑ*−Ｉｑ）と、を電圧値に変換して出力する。非干渉制御器５０３は、ｄ軸の電流値Ｉｄ、ｑ軸の電流値Ｉｑおよび電気角速度ωｅに基づいて、ｄ軸とｑ軸との間で干渉し合う速度起電力を打ち消すための電圧をｄ軸およびｑ軸のそれぞれについて生成して出力する。電流制御器５０２が出力するｑ軸の電圧値と非干渉制御器５０３が出力するｑ軸の電圧値とを加算することによりｑ軸の電圧指令値Ｖｑ*が生成され、電流制御器５０２が出力するｄ軸の電圧値から非干渉制御器５０３が出力するｄ軸の電圧値を減算することによりｄ軸の電圧指令値Ｖｄ*が生成される。２相３相変換器５０４は、電気角θｅを用いてｄｑ軸を３相交流軸へ座標変換する処理を行うことにより、ｄｑ軸での電圧指令値（Ｖｑ*，Ｖｄ*）を３相交流軸での電圧指令値（Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*）２４に変換する。なお、回転子磁石の磁束方向の位置をｄ軸、そこから回転方向に電気角で９０度進んだ位置をｑ軸と定義する。

３相２相変換器５０１および２相３相変換器５０４の処理で用いる電気角θｅは、回転子にエンコーダ等の位置センサを取り付け、そのセンサで検出した値を使用するようにしてもよいし、電圧指令値または電流検出値といった情報から回転子位置を推定した値を使用するようにしてもよい。また、非干渉制御器５０３で用いる電気角速度ωｅは、電気角θｅを用いて演算により求めてもよい。

図１の説明に戻り、ＰＷＭパルス生成器１３は、３相電圧指令値２４をＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）キャリア信号である三角波と比較し、各スイッチング素子９を制御するためのＰＷＭ信号２０（Ｕｐ，Ｕｎ，Ｖｐ，Ｖｎ，Ｗｐ，Ｗｎ）を生成する。ＵｐはＵ相Ｐ側のスイッチング素子９を制御するための制御信号であり、ＵｎはＵ相Ｎ側のスイッチング素子９を制御するための制御信号である。ＶｐはＶ相Ｐ側のスイッチング素子９を制御するための制御信号であり、ＶｎはＶ相Ｎ側のスイッチング素子９を制御するための制御信号である。ＷｐはＷ相Ｐ側のスイッチング素子９を制御するための制御信号であり、ＷｎはＷ相Ｎ側のスイッチング素子９を制御するための制御信号である。

ドライブ回路２は、ＰＷＭ信号２０に基づき、各スイッチング素子９を駆動するドライブ信号を生成する。インバータ回路３には直流電圧源１１から直流電圧が印加されており、インバータ回路３は、ドライブ回路２から入力されるドライブ信号に従い各スイッチング素子９をオンオフすることにより、モータ４に印加する３相の交流電圧を生成する。

モータ電流検出回路１０７は、インバータ回路３とモータ４とを接続する動力線１２７のＵ，Ｖ，Ｗ相にそれぞれ設けられたシャント抵抗１０５の両端のアナログ電圧値から高精度に電流を検出するための回路である。モータ電流検出回路１０７は、例えば、シャント抵抗１０５の両端のアナログ電圧値をΣ―Δ変換することによりビットストリームを生成し、これをモータ電流検出部１１８がＩＩＲ（Ｉｎｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）フィルタ等を使用してフィルタ処理することで、電圧のデジタル値を得る。その後、シャント抵抗１０５の抵抗値で電圧値を除算することでＵ，Ｖ，Ｗ相の電流デジタル値を得る。また、シャント抵抗１０５は必ずしもＵ，Ｖ，Ｗ相の３相すべてに設ける必要はなく、任意の２相に設けて、残りの１相の電流デジタル値は平衡条件（Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝０）より算出する構成とすることも可能である。

インバータ回路３の直流側にはシャント抵抗５が接続されている。シャント抵抗５はインバータ回路３に過電流が流れている状態を検出し、スイッチング素子９を保護するために接続されていることが一般的である。本実施の形態では、シャント抵抗５をスイッチング素子９の保護のために使用するだけでなく、モータ４が接続されている動力線１２７の断線またはインバータ回路３の異常検出にも使用する。スイッチング素子９の保護のためにもともと必要であったシャント抵抗５を用いて断線検出を行う方法は、部品点数の削減および基板面積の削減に大変有効である。

直流電流検出回路１０６は、シャント抵抗５の両端の電圧より、直流電流検出信号１２１（Ｉｓ）を生成して断線検出部１０８へ出力する。直流電流検出信号１２１（Ｉｓ）は、図３に示すように、インバータ回路３に直流電流が流れている間はアクティブすなわちＨｉｇｈレベルとなる信号である。実際にはスイッチング素子９のスイッチングノイズおよびスイッチング素子内の還流ダイオード電流の影響があるため、ある閾値以上の直流電流が一定時間以上にわたって流れた場合にアクティブとなる信号とする。すなわち、直流電流検出回路１０６は、インバータ回路３に直流電流が流出入している状態を検出し、検出結果を示す直流電流検出信号１２１（Ｉｓ）を出力する。

断線検出部１０８は、直流電流検出回路１０６にて生成された直流電流検出信号１２１（Ｉｓ）とＰＷＭパルス生成器１３にて生成されたＰＷＭ信号２０（Ｕｐ，Ｕｎ，Ｖｐ，Ｖｎ，Ｗｐ，Ｗｎ）とを用いて、スイッチング素子９の異常および動力線１２７の断線の検出を行う。断線検出部１０８は異常検出部である。断線検出部１０８は、例えば、図４に示すようなロジック回路で実現することができる。図４に示したロジック回路は、ＯＲ回路２０１と、ＡＮＤ回路２０２から２０４および２０７と、ＮＡＮＤ回路２０５と、ＮＯＲ回路２０６とを含んで構成されている。ＯＲ回路２０１には、ＰＷＭ信号２０（Ｕｐ，Ｕｎ，Ｖｐ，Ｖｎ，Ｗｐ，Ｗｎ）が入力され、ＡＮＤ回路２０２には、ＰＷＭ信号２０の中のＰ側の各スイッチング素子９に対応する制御信号（Ｕｐ，Ｖｐ，Ｗｐ）が入力され、ＡＮＤ回路２０３には、ＰＷＭ信号２０の中のＮ側の各スイッチング素子９に対応する制御信号（Ｕｎ，Ｖｎ，Ｗｎ）が入力される。ＡＮＤ回路２０４には、ＰＷＭ信号２０（Ｕｐ，Ｕｎ，Ｖｐ，Ｖｎ，Ｗｐ，Ｗｎ）が反転入力される。ＮＡＮＤ回路２０５には、ＯＲ回路２０１からの出力信号２２１および直流電流検出回路１０６からの直流電流検出信号１２１（Ｉｓ）が入力される。ＮＯＲ回路２０６には、ＡＮＤ回路２０２からの出力信号２２２、ＡＮＤ回路２０３からの出力信号２２３およびＡＮＤ回路２０４からの出力信号２２４が入力される。ＡＮＤ回路２０７には、ＮＡＮＤ回路２０５からの出力信号２２５およびＮＯＲ回路２０６からの出力信号２２６が入力される。ＡＮＤ回路２０７は、スイッチング素子９の異常または動力線１２７の断線が発生した場合にＨｉｇｈレベルとなる断線検出信号１２２（ＡＬＭ）を出力する。

通常、モータ駆動の際のスイッチングパターンは、図５および図６に示す全９パターンである。図５の上段は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相それぞれの電圧指令値と搬送波である三角波との関係を示し、下段は、上段に示した電圧指令値および搬送波に対応するＰＷＭ信号を示している。なお、図５の下部に記載の番号が図６に記載のパターン１からパターン９のパターン番号に対応している。図６に示した９パターンのうち、パターン７から９、すなわち、Ｐ側のスイッチング素子９が全てオンかつＮ側のスイッチング素子９が全てオフのパターン７と、Ｐ側のスイッチング素子９が全てオフかつＮ側のスイッチング素子９が全てオンのパターン８と、Ｐ側およびＮ側の全てのスイッチング素子９がオフのパターン９の場合、回生電流によりインバータ回路３のＮ側に直流電流が流れ、断線の誤検出をする可能性がある。そのため、図４に示したロジック回路では、図６のパターン７から９をマスクするための回路をＡＮＤ回路２０２、２０３および２０４と、ＮＯＲ回路２０６とにより構成し、この回路が断線検出マスク信号である出力信号２２６を生成している。なお、ＡＮＤ回路２０２がパターン７を検出し、ＡＮＤ回路２０３がパターン８を検出し、ＡＮＤ回路２０４がパターン９を検出する。断線検出マスク信号は、パターン７から９の場合に非アクティブすなわちＬｏｗレベルとなる。そして、ＡＮＤ回路２０７が、ＮＡＮＤ回路２０５からの出力信号２２５と断線検出マスク信号との論理積をとることで、誤検出をする可能性があるパターン７から９をマスクする。図４に示したロジック回路では、インバータ回路３の各スイッチング素子９の状態が図６に示したパターン１からパターン６のいずれかに該当し、かつ直流電流検出信号１２１（Ｉｓ）がＬｏｗレベルすなわちインバータ回路３に電流が流れない場合、断線検出信号１２２（ＡＬＭ）がＨｉｇｈレベルとなる。断線検出部１０８は、図４に示した簡単なロジック回路で構成することができ、スイッチング素子９の異常検出および動力線１２７の断線検出の高速処理が可能となる。

また、スイッチング素子９の上下短絡を防止するために、同相の一方のスイッチング素子９をオフ状態からオン状態に切り替えるタイミングを、他方のスイッチング素子９をオン状態からオフ状態に切り替えるタイミングよりも遅延させる場合がある。この場合のスイッチングパターンは図６に示した９パターン以外も考えられる。例えば、図７に示すように、Ｕｐ，Ｖｐ，Ｗｎがオン（残りのＵｎ，Ｖｎ，Ｗｐがオフ）の状態からＵｐ，Ｖｐ，Ｗｐがオン（Ｕｎ，Ｖｎ，Ｗｎがオフ）の状態に遷移する場合、Ｗｐがオンになる時間を短絡防止時間（Ｔｄ時間）分遅延させることになる。この場合、遅延時間分だけＵｐ，Ｖｐがオン（残り全てがオフ）の区間があり、図４に示したロジック回路では、スイッチングしているにも関わらず、直流電流が流れず異常を誤検出する可能性がある。このような場合は図８に示すようなロジック回路を採用し、図６に示したパターン１からパターン６の６パターンに対応する区間に限定して断線検出を行うような回路とすることも有効である。図８に示したロジック回路では、ＡＮＤ回路２５１が図６に示したパターン１の状態を検出し、以下、ＡＮＤ回路２５２から２５６が、パターン２からパターン６の状態をそれぞれ検出する。ＡＮＤ回路２５１から２５６の出力信号はＯＲ回路２５７に入力され、ＯＲ回路２５７の出力信号２７７は、直流電流検出信号１２１（Ｉｓ）とともに、ＯＲ回路２５８およびＮＡＮＤ回路２５９に入力される。ＯＲ回路２５７の出力信号２７７はＡＮＤ回路２６１にも入力される。ＯＲ回路２５８の出力信号２７８およびＮＡＮＤ回路２５９の出力信号２７９はＮＡＮＤ回路２６０に入力される。ＮＡＮＤ回路２６０の出力信号２８０はＡＮＤ回路２６１に入力され、ＡＮＤ回路２６１は、入力された信号２７７および２８０に基づくレベルの断線検出信号１２２（ＡＬＭ）を出力する。パターン１から６のいずれかの状態の場合にＨｉｇｈレベルとなるＯＲ回路２５７の出力信号が最終段のＡＮＤ回路２６１に入力されるため、パターン１から６以外の状態では断線検出信号１２２（ＡＬＭ）がＬｏｗレベルとなり、誤検出を防止できる。

異常通知部１１９は、断線検出部１０８から出力された断線検出信号１２２が断線検出を示すＨｉｇｈレベルとなった場合に信号をラッチし、断線等の異常が発生したことを示す断線異常信号１２３として出力することにより、マイコン等にて実現されている制御回路１１０に異常状態を通知する。ノイズ等による誤動作防止のため、異常通知部１１９は、断線検出信号１２２が複数回アクティブすなわちＨｉｇｈレベルとなった場合に断線異常信号１２３を出力する構成としてもよい。ここで、断線異常信号１２３を出力する、とは、異常通知部１１９がＨｉｇｈレベルの信号を出力することを意味する。本実施の形態にかかる電力変換装置では、断線等の異常状態を即時に伝達することを目的としているため、断線異常信号１２３のみを制御回路１１０内のアラーム処理部１２０に伝達する。本実施の形態にかかる電力変換装置において異常箇所を特定する場合は、モータ停止後にオフラインでテストパルス（個別スイッチング）により異常箇所を特定する。なお、オンラインで異常箇所を特定する機能および異常箇所を通知する機能を有する電力変換装置については実施の形態２にて説明する。

アラーム処理部１２０は、異常通知部１１９で生成された断線異常信号１２３を受け取った場合、断線状態をモータ駆動装置１１１に取り付けられた表示器（図示せず）に表示して外部へ通知するとともに、図示を省略したネットワークを経由して他の機器に通知する。またこのとき、アラーム処理部１２０は、モータ停止指令１２４を電圧指令作成部１に伝達する。電圧指令作成部１は、アラーム処理部１２０からモータ停止指令１２４を受け取ると、モータ惰走を許容する場合は、スイッチング素子９のすべてのスイッチをオフ（遮断）する電圧指令を生成することにより、モータ４を停止させる。可能な限りモータ惰走距離を短くしたい場合、モータ駆動装置１１１は、電圧指令作成部１がスイッチング素子９のすべてのスイッチをオフする電圧指令を生成することに加えて、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の各動力線を抵抗を介して短絡するダイナミックブレーキ、または、減速停止制御を使用してモータ４を停止させる。例えば、サーボシステムの場合、サーボアンプとしてのモータ駆動装置１１１では、負荷であるサーボモータに接続された位置センサからの速度情報および位置情報と減速指令とに基づいて、電圧指令作成部１が減速停止制御を行う。減速停止制御については本発明のスコープではないため説明を省略する。

前記の異常判断時にモータ４を停止させる動作については、多機能ドライブ回路１１３内もしくはＩＰＭ１１２内のドライブ回路２に断線異常信号１２３を伝達し、ドライブ回路２がスイッチング素子９のすべてのスイッチをオフすることで、制御回路１１０を介さずに実現することも可能である。

本発明にかかるモータ駆動装置１１１では、特許文献１および２で開示された発明のようにモータ電流検出用のシャント抵抗１０５と断線検出用のシャント抵抗５を統一していないが、その理由は、目的の違いによるものである。断線検出はモータおよびその先に接続される機械部の保護の観点から、可能な限り即時に検出する必要があるのに対し、モータ電流検出はモータ制御の観点から高精度であることが重要である。そのため、本発明では、断線検出は電流値のＡ／Ｄ変換まで実施しない高速な電流検出回路すなわち直流電流検出回路１０６により実現し、一方、モータ電流の検出はΣ−Δ等のＡ／Ｄ変換を用いて高精度に電流検出を行うモータ電流検出回路１０７により実現している。

ハードウェアロジックにて断線検出を行う方式では、マイコン等の高度な演算処理装置による解析を必要としないため、高速キャリア周期の場合にも対応可能である。たとえば、サーボモータ駆動およびインダクションモータ駆動といった高キャリア周期駆動によりスイッチング周期が短くなる場合でも適用可能である。さらに、本方式はモータ駆動中の適用に限らず、モータが停止している場合にも適用可能である。これらのことから、本方式は、キャリア周波数、モータの駆動条件および運転状態にかかわらず断線およびスイッチング素子の異常を検出することができ、かつモータが駆動中においても確実に断線検出を行える非常に有効な断線検出方式である。

以上のように、本実施の形態にかかる電力変換装置であるモータ駆動装置１１１は、モータ４に印加する３相交流電圧を生成するインバータ回路３に流れる電流と、インバータ回路３を構成する各スイッチング素子９を制御するＰＷＭ信号とに基づいて、インバータ回路３とモータ４との間の動力線１２７の断線およびインバータ回路３を構成する各スイッチング素子９の異常を検出する断線検出部１０８を備え、断線検出部１０８をロジック回路で構成することとした。これにより、ＩＰＭまたはゲート駆動用ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）に断線検出部１０８を盛り込んで１パッケージ化することが可能であり、その結果、電力変換装置の小型化および低コスト化を実現できる。また、モータ駆動装置１１１は、高速キャリア周期のシステムに適用された場合でもスイッチング素子の異常および動力線の断線を検出することができる。

実施の形態２．
図９は、本発明の実施の形態２にかかる電力変換装置の構成例を示す図である。図９に示した電力変換装置は、実施の形態１で説明した電力変換装置（図１参照）と同様に、モータ駆動装置である。図９では、実施の形態１で説明したモータ駆動装置１１１と共通の構成要素に同一の符号を付している。本実施の形態では、実施の形態１で説明したモータ駆動装置１１１と共通の構成要素についての説明を省略する。

実施の形態２にかかるモータ駆動装置１１１ａは、実施の形態１にかかるモータ駆動装置１１１に対して異常箇所特定部１２６を追加した構成である。モータ駆動装置１１１と同様に、直流電流検出回路１０６と、断線検出部１０８と、異常通知部１１９と、異常箇所特定部１２６と、ドライブ回路２とを多機能ドライブ回路１１３ａとして１パッケージに収めることも可能である。また、インバータ回路３と、シャント抵抗５と、直流電流検出回路１０６と、断線検出部１０８と、異常箇所特定部１２６と、異常通知部１１９と、ドライブ回路２とをＩＰＭ１１２ａとして１パッケージに収めることも可能である。

異常箇所特定部１２６は、ＰＷＭパルス生成器１３で生成されたＰＷＭ信号２０と、断線検出部１０８から出力された断線検出信号１２２とに基づいて、異常箇所の特定、すなわち異常が発生したスイッチング素子および断線が発生した動力線の特定を行い、異常箇所を示す異常箇所特定信号１２５を生成する。

異常箇所特定部１２６は、図１０に示した対応表を使用して、異常箇所の特定を行う。具体的には、異常箇所特定部１２６は、電気角１回転あたりのスイッチングのパターン１から６のうち、断線検出信号１２２（ＡＬＭ）がアクティブになったときのスイッチングパターンと図１０に示した対応表とを照らし合わせて異常箇所を特定する。パターン１から６は、図６に示したパターン１から６である。たとえば、パターン１は、Ｐ側はＵｐのみＯＮであるから、電気角１回転あたりでパターン１の区間のみで断線検出信号１２２がアクティブになった場合、異常箇所特定部１２６は、スイッチング素子９のＵｐがオープン故障している、または、Ｕ相が断線していると判断する。また、たとえば、電気角１回転あたりでパターン１およびパターン４の２つの区間で断線検出信号１２２がアクティブになった場合、スイッチング素子９のＵｐおよびＵｎがオープン故障しているか、モータ巻線を含むＵ相が断線しているかのどちらかである。一般的に２箇所の同時故障が発生する確率は低いため、異常箇所特定部１２６は、この場合は後者のＵ相断線と判断する。このように、異常箇所特定部１２６は、断線検出信号１２２（ＡＬＭ）がアクティブになったときのスイッチングパターンに基づいて、異常箇所を特定する。異常箇所特定部１２６は、断線検出部１０８と同様に、ロジック回路で実現可能である。

異常通知部１１９は、異常箇所特定部１２６にて特定された異常箇所情報を異常箇所特定信号１２５として受け取り、断線異常信号１２３により制御回路１１０内のアラーム処理部１２０に異常発生および異常箇所を伝達する。伝達方法はどのようなものであってもよく、例えば、図１１に示すように異常箇所（要因）に応じてパルス幅を変調して伝達してもよい。これにより１ピンの信号で複数の情報を伝達できる。異常箇所特定部１２６から異常通知部１１９への伝達を同じ方法で行ってもよい。アラーム処理部１２０は、断線異常信号１２３の立ち上がりエッジにて異常を検出し、アクティブ時間をカウントすることで異常箇所情報を取得する。アラーム処理部１２０は、異常通知部１１９から異常箇所情報を取得すると、実施の形態１で説明した動作と同様の動作を実行して異常箇所を外部および他の機器へ通知するとともに、モータ４を停止させる処理を行う。

このように、本実施の形態にかかるモータ駆動装置１１１ａは、実施の形態１にかかるモータ駆動装置１１１と同様の回路で異常検出を行い、さらに、異常検出時には異常箇所を異常箇所特定部１２６で特定することとした。これにより、実施の形態１にかかるモータ駆動装置１１１と同様の効果を得ることができる。さらに、異常発生箇所を特定して使用者に通知することができるため、異常発生時のメンテナンス作業の所要時間を短縮化できる。

実施の形態３．
図１２は、本発明の実施の形態３にかかる電力変換装置の構成例を示す図である。図１２に示した電力変換装置は、実施の形態１，２で説明した電力変換装置（図１，図９参照）と同様に、モータ駆動装置である。図１２では、実施の形態１で説明したモータ駆動装置１１１と共通の構成要素に同一の符号を付している。本実施の形態では、実施の形態１で説明したモータ駆動装置１１１と共通の構成要素についての説明を省略する。

実施の形態３にかかるモータ駆動装置１１１ｂは、実施の形態１にかかるモータ駆動装置１１１に対して電流検出回路異常診断部１３０を追加した構成である。モータ駆動装置１１１と同様に、モータ電流検出部１１８と、電圧指令作成部１と、ＰＷＭパルス生成器１３と、アラーム処理部１２０と、電流検出回路異常診断部１３０とを、マイコンおよびＤＳＰといった半導体集積回路によって１つの制御回路１１０ｂに収めることも可能である。

電流検出回路異常診断部１３０は、直流電流検出回路１０６で生成された直流電流検出信号１２１と、ＰＷＭパルス生成器１３で生成されたＰＷＭ信号２０と、モータ電流検出部１１８で生成されたモータ電流検出値２５とに基づいて、直流電流検出回路１０６、モータ電流検出回路１０７およびモータ電流検出部１１８の異常の有無を判定する。また、電流検出回路異常診断部１３０は、判定結果に基づいて電流検出回路異常信号１３１を生成してアラーム処理部１２０に伝達する。

電流検出回路異常診断部１３０による異常検出方法について、図１３および図１４を用いて説明する。図１３に示した第１の例は、Ｕ相電流が流れるスイッチングパターン時にモータ電流検出値２５（Ｉｕ：Ｕ相電流値）が検出できているにも関わらず直流電流検出信号１２１（Ｉｓ）がアクティブとならない例である。この場合、電流検出回路異常診断部１３０は、直流電流検出回路１０６が異常と判断する。同様に、図１４に示した第２の例は、Ｕ相電流が流れるスイッチングパターン時に直流電流検出信号１２１（Ｉｓ）がアクティブとなっているにも関わらず、モータ電流検出値２５（Ｉｕ：Ｕ相電流値）が検出できない例である。この場合、電流検出回路異常診断部１３０は、モータ電流検出回路１０７またはモータ電流検出部１１８が異常と判断する。電流検出回路異常診断部１３０は、異常診断結果を電流検出回路異常信号１３１にてアラーム処理部１２０に伝達する。伝達方法は、実施の形態２で説明したパルス幅変調を用いて行うことができる。アラーム処理部１２０は、電流検出回路異常信号１３１により、電流検出回路の異常を検出した旨の通知を受けると、モータ４を停止させる処理を行うとともに、異常発生の通知を外部に対して行い、安全を確保する。

電力変換装置および負荷により構成されるシステムは、負荷を制御するために電流制御が行われており、電流センサが用いられることが一般的である。電流センサと本発明にかかる断線検出部による断線検出方法とを組み合わせることにより、電流センサ並びに断線検出部の異常検出も可能となる。

このように、本実施の形態にかかるモータ駆動装置１１１ｂは、実施の形態１にかかるモータ駆動装置１１１と同様の回路で異常検出を行い、さらに、電流検出回路での異常発生を電流検出回路異常診断部１３０で検出することとした。これにより、実施の形態１にかかるモータ駆動装置１１１と同様の効果を得ることができる。さらに、２つの異なる検出方式にて電流検出を実施している直流電流検出回路１０６およびモータ電流検出回路１０７を相互監視することで、これらの各電流検出回路の信頼性を向上させることができる。

実施の形態４．
図１５は、本発明の実施の形態４にかかる電力変換装置の構成例を示す図である。図１５に示した電力変換装置は、実施の形態１から３で説明した電力変換装置（図１，図９，図１２参照）と同様に、モータ駆動装置である。図１５では、実施の形態１から３で説明したモータ駆動装置１１１、１１１ａおよび１１１ｂと共通の構成要素に同一の符号を付している。本実施の形態では、実施の形態１から３で説明したモータ駆動装置１１１、１１１ａおよび１１１ｂと共通の構成要素についての説明を省略する。

実施の形態４にかかるモータ駆動装置１１１ｃは、実施の形態２にかかるモータ駆動装置１１１ａに対して、実施の形態３にかかるモータ駆動装置１１１ｂが備えている電流検出回路異常診断部１３０を追加した構成である。すなわち、モータ駆動装置１１１ｃは、実施の形態２にかかるモータ駆動装置１１１ａの制御回路１１０を制御回路１１０ｂに置き換えたものである。モータ駆動装置１１１ｃの異常箇所特定部１２６および電流検出回路異常診断部１３０は、それぞれ、実施の形態２にかかるモータ駆動装置１１１ａの異常箇所特定部１２６および実施の形態３にかかるモータ駆動装置１１１ｂの電流検出回路異常診断部１３０と同じものであるため、詳細説明については省略する。

このように、本実施の形態にかかるモータ駆動装置１１１ｃは、実施の形態１にかかるモータ駆動装置１１１と同様の回路で異常検出を行い、さらに、実施の形態２にかかるモータ駆動装置１１１ａと同様に、異常検出時には異常箇所を異常箇所特定部１２６で特定する。また、実施の形態３にかかるモータ駆動装置１１１ｂと同様に、電流検出回路での異常発生を電流検出回路異常診断部１３０で検出することとした。これにより、実施の形態１から３にかかるモータ駆動装置１１１、１１１ａおよび１１１ｂと同様の効果を得ることができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 電圧指令作成部、２ ドライブ回路、３ インバータ回路、４ モータ、５，１０５ シャント抵抗、９ スイッチング素子、１１ 直流電圧源、１３ ＰＷＭパルス生成器、１０６ 直流電流検出回路、１０７ モータ電流検出回路、１０８ 断線検出部、１１０，１１０ｂ 制御回路、１１１，１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ モータ駆動装置、１１２，１１２ａ ＩＰＭ、１１３，１１３ａ 多機能ドライブ回路、１１８ モータ電流検出部、１１９ 異常通知部、１２０ アラーム処理部、１２６ 異常箇所特定部、１３０ 電流検出回路異常診断部、５０１ ３相２相変換器、５０２ 電流制御器、５０３ 非干渉制御器、５０４ ２相３相変換器。

Claims (12)

1. 直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する電力変換回路と、
   前記電力変換回路を構成する複数のスイッチング素子を制御する制御回路と、
   前記電力変換回路に流出入する直流電流を検出する直流電流検出回路と、
   ロジック回路で構成され、前記制御回路が前記複数のスイッチング素子に対して出力する制御信号と前記直流電流検出回路による検出結果とに基づいて、前記スイッチング素子の異常、または、前記電力変換回路と前記負荷とを接続する動力線の断線を検出する異常検出部と、
   を備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記直流電流検出回路は、前記直流電流が流れている状態か否かを示す直流電流検出信号を前記異常検出部に出力し、
   前記異常検出部は、前記直流電流検出信号および前記制御信号に基づいて、前記電流が流れている状態を検出する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記異常検出部による検出結果および前記制御信号に基づいて、異常が発生したスイッチング素子または断線が発生した動力線を特定する異常箇所特定部、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記異常箇所特定部は、ロジック回路で構成され、異常が発生したスイッチング素子および断線が発生した動力線を、前記検出結果と前記制御信号が示す前記スイッチング素子の状態の組み合わせとを比較して特定する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記異常箇所特定部による特定結果を受け取り、受け取った特定結果に対応するパルス幅の信号を使用して当該特定結果を前記制御回路へ伝達する異常通知部、
   を備えることを特徴とする請求項３または４に記載の電力変換装置。
6. 前記制御回路は、
   前記直流電流検出回路による検出結果、前記制御信号および前記動力線に流れる電流を検出する電流検出回路による検出結果に基づいて、前記直流電流検出回路の異常および前記電流検出回路の異常を検出する電流検出回路異常診断部、
   を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の電力変換装置。
7. 前記電流検出回路異常診断部は、
   前記直流電流検出回路による検出結果および前記制御信号に基づいて前記電流検出回路の異常を検出し、前記電流検出回路による検出結果および前記制御信号に基づいて前記直流電流検出回路の異常を検出する、
   ことを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
8. 前記電流検出回路異常診断部が前記直流電流検出回路の異常を検出した場合、および、前記電流検出回路異常診断部が前記電流検出回路の異常を検出した場合、前記制御回路は前記電力変換回路の動作を停止させる、
   ことを特徴とする請求項６または７に記載の電力変換装置。
9. 前記異常検出部が前記スイッチング素子の異常を検出した場合、および、前記異常検出部が前記動力線の断線を検出した場合、前記制御回路は前記電力変換回路の動作を停止させる、
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の電力変換装置。
10. 前記異常検出部は、前記スイッチング素子の各々の状態の組み合わせが特定のパターンに該当する場合に、前記スイッチング素子の異常検出、および、前記動力線の断線検出を行う、
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか一つに記載の電力変換装置。
11. 前記電力変換回路、前記直流電流検出回路、前記異常検出部および前記制御回路がＩｎｔｅｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅまたはゲート駆動用集積回路に収容されている、
    ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一つに記載の電力変換装置。
12. 直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する電力変換回路を構成する複数のスイッチング素子を制御するための制御信号と、前記電力変換回路に流出入する直流電流とに基づいて、前記スイッチング素子の異常、または、前記電力変換回路の交流側に接続された動力線の断線を検出することを特徴とするロジック回路。

Images