JP6800278B2 - 回転電機の制御装置 - Google Patents

Description

本願は、回転電機の制御装置に関するものである。

コンバータとインバータとからなる駆動回路を有する回転電機の制御装置において、インバータのスイッチング素子の温度が高くなると、スイッチング損失が大きくなる。
一方、インバータのスイッチング素子の素子耐圧は、素子温度の低下に伴って低下するという温度依存性を有する。スイッチング素子の素子温度が低いほど、駆動回路の入力電圧の上限値を低く設定するとともに、電気負荷からの要求に従って、設定された入力電圧の上限値を超えないように直流電圧の出力電圧を設定して、駆動回路のスイッチング損失を低減するようにしたものが知られている（特許文献１参照）。

特開２０１０−７５０４８号公報

特許文献１では、インバータのスイッチング素子の温度が高いほど直流電源配線の電圧を高くしており、直流電源配線の電圧に比例するインバータのスイッチング損が増加することになる。また、インバータのスイッチング素子の温度が高くなれば、最悪の場合、スイッチング素子が破損する恐れがある。

本願は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、インバータの駆動回路を構成するスイッチング素子の温度が高くなっても、素子の破損を抑制するようにした回転電機の制御装置を提供することを目的とするものである。

本願に係る回転電機の制御装置は、直流電源の出力電圧を電圧指令値に従って第１のスイッチング素子を制御して直流電源配線に出力するように構成されたコンバータと、複数の第２のスイッチング素子とこの第２のスイッチング素子に並列接続されたダイオードを有し、直流電源配線上の直流電力を交流電力に電力変換するインバータと、外部からの動作指令に基づいてコンバータ及びインバータのスイッチング素子を制御する制御回路とを備え、制御回路は、インバータのスイッチング素子またはダイオードの温度を検知する温度検知手段と、温度検知手段が出力するスイッチング素子またはダイオードの温度にもとづいて電圧指令値を調整する電圧指令設定手段を有し、電圧指令設定手段は、動作指令に基づいて制限前電圧指令値を演算する電圧演算部と、インバータのスイッチング素子またはダイオードの温度から制限前電圧指令値の電圧を制限することが可能な制限量を演算する電圧制限量演算部と、制限前電圧指令値に対し制限量を差し引いた電圧指令値を出力する制限処理部を備え、電圧指令設定手段は、温度検知手段が出力するスイッチング素子またはダイオードの温度が予め決めた温度よりも高い場合に、電圧指令値を動作指令に基づいて演算された電圧指令値よりも低く設定するようにしたものである。

本願は、インバータのスイッチング素子の温度が高い場合に直流電源配線の電圧を低くするため、インバータのスイッチング素子の温度を低くすることが可能となり、スイッチング素子の破損を抑制することが可能となる。

実施の形態１に係る回転電機の制御装置の構成図である。 実施の形態１に係る装置の制御回路を構成する電圧指令設定手段のブロック図である。 実施の形態１に係る装置の制御回路を構成する電圧制限量演算部の処理チャート図である。 実施の形態１に係る制御装置におけるスイッチング素子温度と直流電源配線電圧との関係を説明するチャート図である。 実施の形態２に係る制御装置の制御回路を構成する弱め磁束電流制御部のブロック図である。 実施の形態２に係る制御装置の動作を説明するチャート図である。

実施の形態１．
以下、本願の実施の形態１における回転電機の制御装置を図１〜図４に基づいて説明する。
図１は実施の形態１の回転電機の制御装置の構成を説明する図、図２は制御装置を構成する電圧指令設定手段のブロック図である。

図１において、直流電源１と回転電機であるモータ２との間に、コンバータ３とインバータ４からなる駆動回路が接続されている。さらに外部からの動作指令に基づいてコンバータ３とインバータ４を制御する制御回路５が設けられている。
コンバータ３は直流電源１からの直流電圧を昇圧し、インバータ４はコンバータ３で昇圧した直流電圧を交流電圧に変換する。制御回路５は、図示していない上位制御ユニット（ＥＣＵ）から出力されるトルク等の要求トルクおよび要求回転速度等の動作指令に基づいてコンバータ３とインバータ４を制御し、モータ２を駆動制御する。

コンバータ３は、直列接続されたスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２と各スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２に並列接続されたダイオードＤ１、Ｄ２で構成され、直流電源１とインバータ４の入力側となる直流電源配線６との間に直列に接続されている。コンバータ３は、直流電源１から出力される電圧を制御回路５の電圧指令設定手段５１から出力されるパルス幅制御（ＰＷＣ）信号などの電圧指令値に基づいて、直流電源配線６に印加される電圧を可変制御することが可能な装置である。

インバータ４は、直列接続されたスイッチング素子Ｓ３、Ｓ４でＵ相アームが、直列接続されたスイッチング素子Ｓ５、Ｓ６でＶ相アームが、直列接続されたスイッチング素子Ｓ７、Ｓ８でＷ相アームがそれぞれ構成され、直流電源配線６とモータ２との間に直列に接続されている。また各スイッチング素子Ｓ３〜Ｓ８にはダイオードＤ３〜Ｄ８が並列接続されている。インバータ４は、制御回路５から出力されるパルス幅制御（ＰＷＣ）信号などに基づいて直流電圧を交流電圧に変換する。

インバータ４の直列接続されたスイッチング素子Ｓ３〜Ｓ８の接続点は、モータ２の電機子巻線に接続される。
また、インバータ４の各スイッチング素子Ｓ３〜Ｓ８には、温度を電圧に変換可能なサーミスタといった温度電圧変換器７（図１ではスイッチング素子Ｓ６の個所しか図示していないが、実際は全てのスイッチング素子に設ける）が設けられている。

制御回路５は、図１では電圧指令設定手段５１と温度検知手段５２しか記載していないが、上位ＥＣＵから出力される要求トルクおよび要求回転速度等の動作指令に基づいて、コンバータ３のスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２およびインバータ４のスイッチング素子Ｓ３〜Ｓ８のオンオフを制御するパルス幅制御（ＰＷＣ）信号を生成する回路を備えている。
温度電圧変換器７で検出した電圧は制御回路５の温度検知手段５２に入力され、温度検知手段５２は電圧から温度への演算を行うことでスイッチング素子Ｓ３〜Ｓ８の温度検知を行っている。

電圧指令設定手段５１は、温度検知手段５２から出力されるスイッチング素子温度と、上位ＥＣＵ等から出力されるトルク、回転速度といった動作指令に基づいて電圧指令値を出力し、コンバータ３のスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２を制御して直流電源配線６に印加される電圧を設定する。
モータ２は、インバータ４によって直流電力を交流電力に変換された電力を電機子巻線に供給することでトルクを発生させることが可能であり、ハイブリッド自動車または電気自動車といった電動自動車に利用できることは言うまでもない。

図２は本願の実施の形態１による制御回路５に使用される電圧指令設定手段５１の構成を説明するブロックである。
電圧指令設定手段５１は、電圧演算部５１ａと電圧制限量演算部５１ｂと制限処理部５１ｃで構成され、インバータ４のスイッチング素子温度が予め決めた温度よりも高い場合に、コンバータ３の電圧指令値を低く設定（スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２のオン比率を小さくする等）ことが可能な構成となっている。

電圧演算部５１ａは上位ＥＣＵ等から出力される動作指令に基づいて制限前電圧指令値を演算し出力する。電圧制限量演算部５１ｂはインバータ４のスイッチング素子温度から制限前電圧指令値の電圧を制限することが可能な制限量を演算し出力する。制限処理部５１ｃは制限前電圧指令値に対し制限量を差し引くことで、出力される電圧指令値を低くすることが可能である。

図３は制御回路５の電圧指令設定手段５１に設けられた電圧制限量演算部５１ｂの処理チャートを示した図、図４はインバータ４のスイッチング素子温度に対する直流電源配線６の電圧を示した図である。
図３に示すように、電圧制限量演算部５１ｂはスイッチング素子温度が予め決めた温度以上になると制限量を大きくする。制限量を大きくすることでコンバータ３に対する電圧指令値を低く設定することが可能であり、結果的に図４に示すようにコンバータ３の出力である直流電源配線６の電圧を低くすることができる。

こうして直流電源配線６の電圧に比例するインバータ４のスイッチング素子Ｓ３〜Ｓ８に発生するスイッチング損は、減少させることができる。スイッチング損が減少することで、スイッチング素子Ｓ３〜Ｓ８の温度上昇を抑制し、発熱による素子破壊を抑制することができる。

本願の実施の形態１による制御装置においては、インバータ４のスイッチング素子Ｓ３〜Ｓ８の温度検知として、スイッチング素子自体の温度を検出していたが、スイッチング素子Ｓ３〜Ｓ８に並列接続されたダイオードＤ３〜Ｄ８の温度を検知することで、スイッチング素子Ｓ３〜Ｓ８の温度を推定してもよい。また、スイッチング素子Ｓ３〜Ｓ８とダイオードＤ３〜Ｄ８の両方にサーミスタといった温度電圧変換器７を設けて、スイッチング素子Ｓ３〜Ｓ８とダイオードＤ３〜Ｄ８の温度を検知するようにしてもよい。

ダイオードＤ３〜Ｄ８の温度が高い場合に、直流電源配線６の電圧を低くすることで、ダイオードＤ３〜Ｄ８で発生するスイッチング損も低減し、ダイオードＤ３〜Ｄ８の温度上昇を抑制し、ダイオードＤ３〜Ｄ８の素子破損も同様に抑制可能である。
本構成によりインバータ４のスイッチング素子Ｓ３〜Ｓ８だけではなく、ダイオードＤ３〜Ｄ８の温度上昇を抑制し、発熱による素子破壊を抑制することができる。

実施の形態２．
次に、本願の実施の形態２における回転電機の制御装置を図５および図６に基づいて説明する。
実施の形態２における回転電機の制御装置は、実施の形態１における制御回路５に、さらに図５に示すような弱め磁束電流制御部５３を設けたもので、図５は弱め磁束電流制御部５３のブロック図である。

実施の形態２における回転電機の制御装置は、インバータ４のスイッチング素子Ｓ３〜Ｓ８の温度が予め決めた温度よりも高くなった場合、モータ２の弱め磁束電流を動作指令に基づいて決められた値よりも大きくして直流電源配線６の電圧が上昇するのを抑えるようにしたもので、弱め磁束電流制御部５３は、弱め磁束電流演算部５３ａと制御部５３ｂを備えている。
弱め磁束電流演算部５３ａは、上位ＥＣＵからの動作指令と、インバータ４のスイッチング素子Ｓ３〜Ｓ８の素子温度と、直流電源配線６の電圧を入力して、モータ２の弱め磁束電流を演算する。制御部５３ｂは、弱め磁束電流演算部５３ａからの出力に基づいてインバータ４のスイッチング素子Ｓ３〜Ｓ８に対する電圧指令値を生成する。

図６（ａ）は、動作指令とスイッチング素子Ｓ３〜Ｓ８の素子温度と直流電源配線６の電圧の関係を示した図、図６（ｂ）は、スイッチング素子Ｓ３〜Ｓ８の素子温度が高い場合に、弱め磁束電流を大きくするようにした関係図である。
図６（ａ）に示すように、動作指令を横軸、直流電源配線６の電圧を縦軸とすると、スイッチング素子の温度が低い場合は実線Ａに、スイッチング素子の温度が高い場合は実線Ｂにする必要がある。

このとき弱め磁束電流の絶対値は、図６（ｂ）に示すように、動作指令の回転速度が低い場合でも、スイッチング素子温度が高い場合は実線Ｂのように大きくして、直流電源配線６の電圧を低くする。一方、スイッチング素子温度が低い場合は、実線Ａのように動作指令の要求回転速度が高くなって場合に初めて弱め磁束電流を大きくする。
弱め磁束電流を大きくすると、インバータ４がモータ２に印加する電圧を小さくすることできるため、インバータ４のスイッチング素子Ｓ３〜Ｓ８の素子温度を低くすることができる。

上記の処理を行うことで、直流電源配線６の電圧上昇を抑制し、直流電源配線６の電圧が直流電源１の電圧以上となることで、インバータ４のスイッチング制御が不可となる状況を抑制することが可能となる。
以上のように、インバータ４のスイッチング素子Ｓ３〜Ｓ８の温度が予め決めた温度よりも高くなった際に、直流電源配線６の電圧を低く設定した際の、モータ２の弱め磁束電流を大きくすることで直流電源配線６の電圧を抑制し、インバータ４のスイッチング制御可能な状態の維持が可能となる。

本開示は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１：直流電源、２：モータ（回転電機）、３：コンバータ、４：インバータ、
５：制御回路、６：直流電源配線、７：温度電圧変換器、５１：電圧指令設定手段、
５２：温度検知手段、５１ａ：電圧演算部、５１ｂ：電圧制限量演算部、
５１ｃ：制限処理部、５３：弱め磁束電流制御部、５３ａ：弱め磁束電流演算部、
５３ｂ：制御部、Ｓ１〜Ｓ８：スイッチング素子、Ｄ１〜Ｄ８：ダイオード。

Claims (2)

1. 直流電源の出力電圧を電圧指令値に従って第１のスイッチング素子を制御して直流電源配線に出力するように構成されたコンバータと、複数の第２のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子に並列接続されたダイオードを有し、前記直流電源配線上の直流電力を交流電力に電力変換するインバータと、外部からの動作指令に基づいて前記コンバータ及び前記インバータのスイッチング素子を制御する制御回路とを備え、
   前記制御回路は、前記インバータのスイッチング素子またはダイオードの温度を検知する温度検知手段と、前記温度検知手段が出力するスイッチング素子またはダイオードの温度にもとづいて前記電圧指令値を調整する電圧指令設定手段を有し、前記電圧指令設定手段は、前記動作指令に基づいて制限前電圧指令値を演算する電圧演算部と、前記インバータのスイッチング素子またはダイオードの温度から前記制限前電圧指令値の電圧を制限することが可能な制限量を演算する電圧制限量演算部と、前記制限前電圧指令値に対し前記制限量を差し引いた電圧指令値を出力する制限処理部を備え、
   前記電圧指令設定手段は、前記温度検知手段が出力するスイッチング素子またはダイオードの温度が予め決めた温度よりも高い場合に、前記電圧指令値を前記動作指令に基づいて演算された電圧指令値よりも低く設定することを特徴とする回転電機の制御装置。
2. 前記制御回路は回転電機の弱め磁束電流制御部を備え、前記弱め磁束電流制御部は、前記温度検知手段が出力するスイッチング素子またはダイオードの温度が予め決めた温度よりも高い場合に、前記回転電機の弱め磁束電流を前記動作指令に基づいて決められた値よりも大きくするよう前記インバータのスイッチング素子を制御するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機の制御装置。

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