JP6952836B1 - インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 モータを過熱から守るために実施するトルク抑制制御を実装したインバータ装置において、モータが冷却されていない状態で起動した場合、過熱からモータを保護できないため終了時のトルク抑制値を記憶するが、終了時に記憶した前回トルク抑制値が低い場合には、モータのトルクが制限される。【解決手段】 インバータまたはモータの休止時間に関する情報を使用して、インバータの動作終了時の前回トルク抑制値と、温度検出値と、インバータまたはモータの休止時間とに基づいてトルク抑制値を演算して、休止時間に応じた制御を行なうようにした。【選択図】図１

Description

本願は、インバータ装置に関するものである。

車載用モータは、車両の駆動源あるいはステアリング装置の駆動源として使用され、インバータ装置で駆動される。このインバータ装置は、直流を交流に変換して所定のトルク及び周波数でモータを駆動する。車両の使用状態に応じてインバータ装置を構成するインバータのスイッチング素子の温度が大きく変動するため、予め設定された温度を超えることの無いようにインバータを冷却したり、インバータの温度あるいはモータの温度を温度センサによって検出し、検出した温度情報を記憶装置に記憶させて、温度情報に応じてトルクあるいはスイッチング周波数を制限したりする制御が行われている。

特に、特許文献１においては、電動パワーステアリング装置に使用されているモータの制御について示され、記憶させていた温度情報が、エンジンストールによってリセットされることの無いように、電力供給がなくても記憶していることが可能な不揮発性記憶手段を使用し、エンジンの始動後において、イグニッションスイッチがオンしている状態でエンジンストール状態になる前に、検出した温度情報を記憶手段に記憶し、モータの駆動を再開した場合には、温度センサによって検出した温度情報と、記憶手段に記憶している温度情報とを比較して、高い温度の情報を使用して制御を行うことが提案されている。

特許第４５１３３６７号公報

特許文献１に示された制御装置においては、起動時に用いる値が記憶値と温度センサによる検出値のうち、高い温度における情報を初期値として使用するため、起動時に、記憶されていた高い推定温度値によりモータ出力が制限される場合がある。特に、ストール状態が続いてモータの温度が高くなった状態で終了した場合、この終了時の記憶した値をそのまま起動時に使用することになるため、休止時間が十分に長い場合、すなわちイグニッションスイッチがオフしている状態が十分に長い場合には、実際の温度検出値が下がっているにもかかわらず、記憶値と温度センサによる検出値のうち高い方の温度を用いて初期値を設定するため、モータ出力が制限されるという問題がある。
また、車両駆動用モータにこの提案されている技術を適用した場合、モータ出力（トルク）が抑制される事により車両が発進できなくなる可能性があるという問題があった。

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、温度変化の実状に沿った制御を行うインバータ装置を提供することを目的とする。

本願に開示されるインバータ装置は、電源とモータの間に接続され、前記電源の電圧を変換して前記モータに出力するインバータ、前記モータの温度を検出する温度検出部、前記インバータまたはモータの休止時間の情報を提供する休止時間情報提供装置、および前記インバータの動作終了時の前回トルク抑制値を記憶する記憶装置と、トルク指令値を出力する指令値演算部と、前記温度検出値と前記休止時間と前記前回トルク抑制値とに応じてトルク抑制値を演算する抑制値演算部と、前記トルク指令値と前記トルク抑制値とに基づいてトルク指令最終値を設定する最小選択処理部とを有し、前記インバータのスイッチング動作を制御する制御装置を備えたことを特徴とするものである。

休止時間が長く、コイル温度が低下している場合、休止時間情報を用いて演算することで、起動時のトルクを高めることができる。

実施の形態１のモータ駆動装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態１の制御装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態１の制御装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態１の抑制値演算部の構成を示すブロック図である。 実施の形態１のトルク最終指令値を示すタイミング図である。 比較例１のトルク最終指令値を示すタイミング図である。 実施の形態１の起動処理部における処理のフロー図である。 実施の形態１のトルク最終指令値を示すタイミング図である。 比較例２のトルク最終指令値を示すタイミング図である。 実施の形態２の抑制値演算部の構成を示すブロック図である。 実施の形態２の起動処理部における処理のフロー図である。 起動値とコイル温度検出値と起動値との関係を示す説明図である。

実施の形態１
図１は、実施の形態１のモータ駆動装置の構成図である。なお、図中同一符号は、各々同一または相当部分を示している。
図１に示すように、インバータ装置１は、電源２からの直流を交流に変換してモータ３に入力するインバータ４と、インバータ４を制御する制御装置５によって構成されている。図１において、電源２は、高圧電源システム２１と低圧電源システム２２とを備えている。高圧電源システム２１は、インバータ４を通じてモータ３に電力を供給する。低圧電源システム２２は、インバータ装置１の制御装置５に電力を供給するように構成されている。低圧電源システム２２と制御装置５との間にはコンタクタ２２０が設けられ、電力のオン・オフを行うように構成されている。

インバータ４は、モータ３への電力を変換する第１の電圧変換回路４１、第２の電圧変換回路４２、第３の電圧変換回路４３を備え、第１の電圧変換回路４１の前段には、コンデンサ４４と、コンデンサ４４の電圧を検出する電圧検出部４５が設けられている。
第１の電圧変換回路４１は、直列に接続された第１のスイッチング素子４１ａと第２のスイッチング素子４１ｂと、第１のスイッチング素子４１ａと第２のスイッチング素子４１ｂとの第１の接続部４１ｃで構成されている。

第２の電圧変換回路４２は、直列に接続された第３のスイッチング素子４２ａと第４のスイッチング素子４２ｂと、第３のスイッチング素子４２ａと第４のスイッチング素子４２ｂとの第２の接続部４２ｃで構成されている。
第３の電圧変換回路４３は、直列に接続された第５のスイッチング素子４３ａと第６のスイッチング素子４３ｂと、第５のスイッチング素子４３ａと第６のスイッチング素子４３ｂとの第３の接続部４３ｃで構成されている。

第１の電圧変換回路４１、第２の電圧変換回路４２および第３の電圧変換回路４３の第１のスイッチング素子４１ａから第６のスイッチング素子４３ｂのそれぞれにはダイオードが並列に接続されている。
インバータ４の第１の電圧変換回路４１、第２の電圧変換回路４２および第３の電圧変換回路４３のスイッチングは、制御装置５からのゲート信号Ｇａｔｅ４１ａ，Ｇａｔｅ４１ｂ、Ｇａｔｅ４２ａ，Ｇａｔｅ４２ｂ、Ｇａｔｅ４３ａ，Ｇａｔｅ４３ｂによって制御されている。

インバータ４の出力は電流検出部６によって検出される。電流検出部６は、インバータ４の第１の電圧変換回路４１の第１の接続部４１ｃ、第２の電圧変換回路４２の第２の接続部４２ｃおよび第３の電圧変換回路４３の第３の接続部４３ｃとモータ３との間に配置され、第１の電圧変換回路４１に流れる電流値ＩＵ、第２の電圧変換回路４２に流れる電流値ＩＶおよび第３の電圧変換回路４３に流れる電流値ＩＷを検出する。
電圧検出部４５で検出された電圧値Ｖｉｎと、電流検出部６で検出された電流値ＩＵ、ＩＶ、ＩＷはそれぞれ制御装置５に入力される。

また、モータ３にはモータ３の回転位置θを検出する回転位置検出部７、モータ３のコイル温度およびモータ３を冷却するオイルの温度を検出する温度検出部８が設けられており、回転位置θ、コイル温度及びオイル温度の情報が制御装置５に与えられるように構成されている。
さらに、インバータ装置１には、インバータ装置１が休止している時間を検出し、休止時間情報を制御装置５に提供する休止時間情報提供装置９を備えている。
また、制御装置５は、休止時間情報提供装置９から提供される休止時間情報を受信する受信部５０を有し、休止時間情報提供装置９から提供された休止時間情報をインバータ装置１の起動時に休止時間情報を使用する。なお、以下の説明では、休止時間情報としてインバータ装置１の休止時間として説明しているが、モータ３の休止時間を休止時間情報として提供するようにしても同様の制御を行なうことができる。

制御装置５は、インバータ装置１の一部であり、制御装置５は、モータ３を制御するために、電圧検出部４５において検出された電圧値Ｖｉｎと、電流検出部６で検出された電流値ＩＵ，ＩＶ，ＩＷとモータ３の回転位置θから演算される回転数ωに基づいて、第１の電圧変換回路４１、第２の電圧変換回路４２、第３の電圧変換回路４３のスイッチング素子４１ａ、４１ｂ、４２ａ、４２ｂ、４３ａ、４３ｂをＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御によって制御するためにオン・オフ制御（開閉動作）するゲート信号Ｇａｔｅ４１ａ、Ｇａｔｅ４１ｂ、Ｇａｔｅ４２ａ、Ｇａｔｅ４２ｂ、Ｇａｔｅ４３ａ、Ｇａｔｅ４３ｂを生成し、モータ３の出力を制御する。

なお、制御装置５は、第１のスイッチング素子４１ａから第６のスイッチング素子４３ｂのオン・オフ制御を行うために、プロセッサ５１を備えている。制御装置５のプロセッサ５１は、コンパレータ、オペアンプ、差動増幅回路等のアナログ電子回路から構成されてもよいし、演算処理装置などのデジタル電子回路により構成されてもよいし、デジタル電子回路及びアナログ電子回路の双方により構成されてもよい。
すなわち、ハードウエアの一例を図２に示すように、プロセッサ５１と記憶装置５２から構成される。記憶装置は図示していないが、ランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを具備する。また、フラッシュメモリの代わりにハードディスクの補助記憶装置を具備してもよい。プロセッサ５１は、記憶装置５２から入力されたプログラムを実行する。

この場合、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ５１にプログラムが入力される。また、プロセッサ５１は、演算結果等のデータを記憶装置５２の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。
ここで、記憶装置５２は、電力がなくてもデータ又は値を記憶する装置として、インバータ装置１が動作を終了する場合には、終了前の状態の値を記憶し、休止時間において電源が無い場合であっても、情報を記憶している。

図３は、本実施の形態１に示した制御装置５の中に設けられている制御部５００の構成を示すブロック図である。
制御部５００は、制御装置５の一部である。制御部５００は、温度検出部８から検出されたオイル温度検出値Ｔｏｉｌと、回転位置θから演算される回転数ωと、休止時間情報と、トルク指令最終値Ｔｆを用いてトルク抑制値Ｔｓａｖｅを演算して出力する抑制値演算部５０１と、トルク指令値Ｔｒｅｆを演算して出力する指令値演算部５０２と、トルク指令値Ｔｒｅｆと、トルク抑制値Ｔｓａｖｅのうち、最も小さい値を選択してトルク指令最終値Ｔｆとする最小選択処理部５０３と、モータ制御のために、トルク指令最終値Ｔｆと、電圧検出値Ｖｉｎと、電流検出値ＩＵ，ＩＶ，ＩＷと、回転数ωを用いて、第１の電圧変換回路４１、第２の電圧変換回路４２、第３の電圧変換回路４３を制御するＰＷＭ信号Ｇａｔｅ４１ａ、Ｇａｔｅ４１ｂ、Ｇａｔｅ４２ａ、Ｇａｔｅ４２ｂ、Ｇａｔｅ４３ａ、Ｇａｔｅ４３ｂを生成するモータ制御部５０４で構成されている。

図４は、抑制値演算部５０１の構成を示すブロック図である。
抑制値演算部５０１は、モータ出力範囲の拡大を目的として、オイル温度値Ｔｏｉｌと、回転数ωを用いて、トルク抑制レートの係数Ｔｒを選択する選択部５０１ａと、トルク抑制レートの係数Ｔｒと、トルク指令最終値Ｔｆを用いて、トルク変化率Ｔｅを演算する演算部５０１ｂと、トルク変化率Ｔｅと、起動処理部５０１ｇで演算された起動値Ｔｋの四則演算Ｔｔをする四則演算部５０１ｃと、制御安定性を向上するために四則演算値Ｔｔを制限してトルク抑制値Ｔｓａｖｅを出力する制限部５０１ｄと、トルク指令値Ｔｒｅｆの前回値Ｔｄを演算する前回値演算部５０１ｅと、記憶装置５２にトルク抑制値Ｔｓａｖｅを記憶し、記憶装置５２において記憶されている前の処理時のトルク抑制値（前回トルク抑制値という）Ｔｓａｖｅ０１の読み出し処理をする記憶／読出し部５０１ｆと、受信部５０で受信された休止時間情報と、記憶装置５２で記憶されている前トルク抑制値Ｔｓａｖｅ０１と、トルク指令値Ｔｒｅｆの前回値Ｔｄを用いて起動値Ｔｋを演算する起動処理部５０１ｇで構成されている。

ここで、起動処理部５０１ｇおよび記憶／読出し部５０１ｆを設けることによって、コイルが過熱から保護されることを図５のタイミング図に示す。ここでは、記憶装置５２に終了時のトルク抑制値を記憶し、起動時に記憶装置５２に記憶されている前回トルク抑制値Ｔｓａｖｅ０１を記憶／読出し部５０１ｆから読みだして、休止期間後の起動を行うことによって、コイルを過熱から保護できる。なお、図５のタイミング図において、期間Ｔｑは、トルク抑制値に応じてトルクが制限される期間を表している。
これに対して、記憶装置５２、起動処理部５０１ｇ、記憶／読出し部５０１ｆを備えていない場合を比較例１として、図６にタイミング図を示す。この比較例１の場合には、ストール状態が続いている場合に、記憶装置５２を有しないため、終了時の値を記憶していないことから、休止期間後の起動時にトルク抑制値が、初期化またはリセットされるため、短い休止期間の場合にはコイルを過熱から保護できない場合がある。

次に、実施の形態１の起動処理部５０１ｇにおける処理を、図７のフロー図に沿って説明する。
ステップＳ１１において、インバータ装置１の状態が起動時であるのかの判断を行う。インバータ装置１の状態が動作中の場合には、ステップＳ１２において、トルク指令値Ｔｒｅｆの前回値Ｔｄをそのまま起動値Ｔｋとして使用する。起動時である場合には、ステップＳ１３において、終了時に記憶装置５２において記憶されている前回トルク抑制値Ｔｓａｖｅ０１と受信部５０で受信されている休止時間に係数αを乗算した値（＝休止時間×α）とを加算した値（＝Ｔｓａｖｅ０１＋休止時間×α）を出力することによって、起動時のトルク抑制値を上げる。
ここで、休止時間が長い場合の処理状態においてもコイルが過熱から保護されることを図８のタイミング図に示す。

インバータ装置１の動作中は、トルク抑制値Ｔｓａｖｅの前回値Ｔｄを起動値Ｔｋとして出力し、トルク抑制値Ｔｓａｖｅまたはトルク指令値Ｔｒｅｆの内、最小値を選択してトルク指令最終値Ｔｆを出力するため、モータ３を過熱から保護できる。すなわち、インバータ装置１の終了時は、記憶装置５２にて終了時のトルク抑制値Ｔｓａｖｅを記憶する。インバータ装置１の休止時間中は、電力がなくても、記憶装置５２において前回トルク抑制値Ｔｓａｖｅ０１として保存されている。
インバータ装置１の起動時は、記憶装置５２で記憶されている前回トルク抑制値Ｔｓａｖｅ０１を読み出し、この前回トルク抑制値Ｔｓａｖｅ０１に休止時間と係数を乗算した値（休止時間×α）を加算した値に応じてトルク抑制値Ｔｓａｖｅを出力し、トルク抑制値Ｔｓａｖｅに応じてモータ制御を行うため、トルク抑制値Ｔｓａｖｅが起動時にリセットされないし、休止時間と係数を乗算した値（休止時間×α）を加算するため、ストール状態が続いても、モータ３のトルクの制限なく制御ができる。

これに対して、記憶装置５２、記憶／読出し部５０１ｆの処理を備えていても、起動処理部５０１ｇがないため出力が制限される場合を比較例２として、図９にタイミング図を示す。図９は、記憶装置５２の実装によって短い休止時間の場合には、終了時の値を記憶して起動時に読み出すことができるためコイルを過熱から保護はできるが、休止時間が長い、温度検出値が充分に下がる場合も終了時の記憶値を読み出してそのまま使用することになるため、トルクが制限される。

実施の形態２
この実施の形態２においては、実施の形態１の抑制値演算部５０１の一部を変えて、図１０に示すように、起動処理部５０１ｇにモータ３のコイル温度検出値Ｔｃｏｉｌを入力して演算するように構成している。すなわち、図１０は、抑制値演算部５０１の構成を示すブロック図である。ここで、起動処理部５０１ｇにコイル温度検出値が入力されているところが図４とは異なっている。

次に、実施の形態２の起動処理部５０１ｇにおける処理を、図１１のフロー図に沿って説明する。
ステップＳ２１において、インバータ装置１の状態が起動時であるのかの判断を行う。インバータ装置１の状態が動作中の場合には、ステップＳ２２において、トルク指令値Ｔｒｅｆの前回値Ｔｄをそのまま起動値Ｔｋとして使用する。インバータ装置１の状態が、起動時である場合には、ステップＳ２３において、休止時間が予め定めた規定時間より長いかどうかの判断を行う。

休止時間が規定時間よりも長い場合には、ステップＳ２４において、温度検出部８から受けたコイル温度検出値Ｔｃｏｉｌの関数の値（＝ｆ（Ｔｃｏｉｌ））を起動値Ｔｋとして出力する。なお、「規定時間」は、インバータ４またはモータ３が過熱状態から外気温あるいはモータ３を冷却するオイルの温度に飽和するまでの時間であって、実測の結果に基づいて予め設定するものである。
コイル温度検出値Ｔｃｏｉｌと起動値Ｔｋとの関係を図１２に示す。休止時間が充分に長い場合、モータ３の温度検出部８で検出されたコイル温度検出値Ｔｃｏｉｌは、モータ３内の最も高温部の温度であると予測されるため、コイル温度が高い程、トルクを抑制するような関数あるいはマップを用いる。

インバータ装置１の状態が起動時で、かつ休止時間が規定の時間よりも短い場合には、ステップＳ２４において、終了時に記憶装置５２において記憶されている前回トルク抑制値Ｔｓａｖｅ０１と受信部５０で受信されている休止時間に係数αを乗算した値（＝休止時間×α）とを加算した値（＝Ｔｓａｖｅ０１＋休止時間×α）を出力することによってストール状態が続いても、モータ３のトルク制限なく制御ができる。

なお、実施の形態のモータ駆動装置は、電気自動車あるいはハイブリッド自動車に搭載され、車両駆動用のモータあるいはエンジン駆動用のモータジェネレータを駆動するためのインバータに設けられている温度検出部から検出された値を使用する構成においても適用できる。
実施の形態の温度検出部８は、モータ３、コイル、インバータ装置１、またはモータ駆動装置のどこの部分の温度でもよいし、２か所以上の温度を使用して、温度分布状態に応じて制御するようにしてもよい。
実施の形態の制限部５０１ｄは、トルク抑制値Ｔｓａｖｅの範囲拡大のために省略することができる。

実施の形態のインバータ装置１あるいはモータ３を二つ以上備えた装置としても、同様の制御を適用することができる。
実施の形態のインバータ装置１と電源２の間では、昇圧コンバータを備えたシステムとすることができる。
実施の形態の制御装置５の電力は、高圧電源システム２１から降圧して電源を使用することができる。
実施の形態の休止時間情報は、コンタクタの状態又はコンタクタと制御装置の間の電圧値など、インバータ装置の休止によって変化する状態から検出することができる。

本願は、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、本願明細書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 インバータ装置、２ 電源、３ モータ、４ インバータ、５ 制御装置、
６ 電流検出部、７ 回転位置検出部、８ 温度検出部、９ 休止時間情報提供装置、
２１ 高圧電源システム、２２ 低圧電源システム、４１ 第１の電圧変換回路、
４２ 第２の電圧変換回路、４３ 第３の電圧変換回路、５０ 受信部、
５１ プロセッサ、５２ 記憶装置、２２０ コンタクタ、５０１ 抑制値演算部、
５０２ 指令値演算部、５０３ 最小選択処理部、５０４ モータ制御部

Claims (5)

1. 電源とモータの間に接続され、前記電源の電圧を変換して前記モータに出力するインバータ、前記モータの温度を検出する温度検出部、前記インバータまたは前記モータの休止時間の情報を提供する休止時間情報提供装置、および前記インバータの動作終了時の前回トルク抑制値を記憶する記憶装置と、トルク指令値を出力する指令値演算部と、前記温度検出部の温度検出値と前記休止時間と前記前回トルク抑制値とに応じてトルク抑制値を演算する抑制値演算部と、前記トルク指令値と前記トルク抑制値とに基づいてトルク指令最終値を設定する最小選択処理部とを有し、前記インバータのスイッチング動作を制御する制御装置を備えたことを特徴とするインバータ装置。
2. 前記制御装置は、前記記憶装置から読み出された前回トルク抑制値に、前記休止時間とあらかじめ設定した係数を乗算した値を加算し、前記抑制値演算部の演算を行なうことを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
3. 前記休止時間が予め設定した規定時間よりも長い場合には、前記温度検出部で検出された温度に応じて前記抑制値演算部の演算を行うことを特徴とする請求項１または２に記載のインバータ装置。
4. 前記抑制値演算部は、前記温度検出部の温度検出値と、前記モータの回転数とを用いてトルク抑制レートの係数を選択する選択部を備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のインバータ装置。
5. 前記制御装置は、前記指令値演算部の出力のトルク指令値と前記抑制値演算部の出力のトルク抑制値とのうちの最小値を選択する最小選択処理部を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のインバータ装置。

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