JP6966233B2 - 三相モータの駆動装置およびそれを用いた電子機器、搬送機器 - Google Patents

Description

本発明は、三相モータの駆動装置に関する。

図１は、モータ駆動装置１００Ｒのブロック図である。モータ２は三相ブラシレスモータである。駆動装置１００Ｒは、直流電源４から直流電圧Ｖ_ＤＣを受け、三相交流電圧Ｖ_Ｕ〜Ｖ_Ｗに変換し、モータ２に供給する。

ブラシレスモータを回転させるためには、モータ２のロータの位置に応じた転流制御が欠かせない。センサレスでモータ２を駆動する場合、モータ２のロータの位置を推定するために、モータ２のＵ，Ｖ，Ｗ相それぞれのコイルの電流Ｉ_Ｕ，Ｉ_Ｖ，Ｉ_Ｗが利用される。

駆動装置１００Ｒは、インバータ１０２、電流検出回路１０４、インバータコントローラ１０６を備える。インバータ１０２は、Ｕ相レグ、Ｖ相レグ、Ｗ相レグを含み、各レグは、ハイサイドアームＭＨ，ローサイドアームＭＬを含む。これらのアームＭＨＵ〜ＭＨＷ，ＭＬＵ〜ＭＬＷは、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）あるいはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワートランジスタである。

電流検出回路１０４は、インバータ１０２とモータ２の間に設けられ、各相のコイル電流（相電流）Ｉ_Ｕ〜Ｉ_Ｗを検出する。電流検出回路１０４は、ＤＣＣＴ（直流カレントトランス）あるいは電流センス抵抗を含む。インバータコントローラ１０６は、相電流Ｉ_Ｕ〜Ｉ_Ｗを監視しながら、各時刻において適切なゲート駆動信号を生成し、インバータ１０２のトランジスタをスイッチングする。

特開２０１４−２１７２４７号公報 特開２００９−１０６０８３号公報

駆動装置１００Ｒを長期間にわたり使用すると、インバータ１０２を構成するパワートランジスタやそれに付随する素子の劣化や異常等の発生が想定される。これらの異常や故障は、スイッチ速度の遅れやリーク電流の増大を引き起こす。たとえばスイッチ速度の遅れは、同じレグのハイサイドアームとローサイドアームが同時にオンし、パルス性の大電流（貫通電流）が流れるという問題を引き起こす。あるいはアーム（トランジスタ）がオフできなくなると、常時電流が流れ、異常発熱を引き起こす。あるいは経年劣化によるリーク電流の増加なども問題となる。

これらの異常は、相電流Ｉ_Ｕ〜Ｉ_Ｗには現れないため、図１の構成では検出できない。

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、異常を検出可能な駆動装置の提供にある。

本発明のある態様は、三相モータの駆動装置に関する。駆動装置は、三相モータを駆動するインバータと、三相モータの少なくとも２相の相電流を検出する第１電流検出回路と、インバータに流れる電流を検出する第２電流検出回路と、第１電流検出回路が生成する各相電流の検出値と、第２電流検出回路が生成する対応する相電流の検出値の関係にもとづいて異常を検出する異常検出器と、を備える。

この態様によると、２つの電流検出回路の検出値を組み合わせることで、異常を検出できる。

第２電流検出回路は、直流母線電流を検出するシャント電流検出器を含んでもよい。

異常検出器は、全相のハイサイドアームがオフであるとき、および／または全相のローサイドアームがオフであるときの第２電流検出回路の検出値にもとづいて異常状態を検出してもよい。これにより、リーク電流が流れる異常を検出できる。

異常検出器は、いずれかのローサイドアームがターンオンした直後、および／または、いずれかのハイサイドアームがターンオンした直後の、第２電流検出回路の検出値にもとづいて異常を検出してもよい。これにより貫通電流が流れる異常を検出できる。

駆動装置は、第２電流検出回路の出力を所定のしきい値と比較し、過電流状態を検出する過電流検出回路をさらに備えてもよい。

第２電流検出回路は、インバータの少なくとも２本のローサイドアームに流れる電流を検出するシャント電流検出器を含んでもよい。

インバータは、異常検出器が異常を検出すると停止してもよい。

本発明の別の態様もまた、三相モータの駆動装置に関する。駆動装置は、三相モータを駆動するインバータと、直流母線電流を検出するシャント電流検出器と、全相のハイサイドアームがオフであるとき、および／または全相のローサイドアームがオフであるときのシャント電流検出器の検出値にもとづいて異常状態を検出する異常検出器と、を備える。
これにより、これにより、リーク電流が流れる異常を検出できる。

異常検出器は、いずれかのローサイドアームがターンオンした直後、および／または、いずれかのハイサイドアームがターンオンした直後の、シャント電流検出器の検出値にもとづいて異常を検出してもよい。

本発明の別の態様は搬送機器である。搬送機器は、三相モータと、三相モータを駆動する上述のいずれかの駆動装置と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、異常を検出できる。

モータ駆動装置のブロック図である。 実施の形態に係る駆動装置のブロック図である。 １シャント電流検出器の電流検出を説明する図である。 ３シャント電流検出器の回路図である。

図２は、実施の形態に係る駆動装置１００のブロック図である。モータ２は三相ブラシレスモータである。駆動装置１００は、直流電源４から直流電圧Ｖ_ＤＣを受け、三相交流電圧Ｖ_Ｕ〜Ｖ_Ｗに変換し、モータ２に供給する。駆動装置１００はモータ２とともに機器１に用いられる。機器１の種類は特に限定されないが、家電製品をはじめ、ＯＡ機器、産業機器、車載機器、携帯用電子機器など多岐にわたって利用することができる。あるいは機器１は、乗用・運搬用等の搬送機器であってもよく、ベルトコンベア、自動車や自動二輪車、フォークリフトなどが例示される。身近なところでは、エアコンや冷蔵庫などのコンプレッサや、多くの機器の冷却用のファンに、三相モータが用いられている。

駆動装置１００は、インバータ１０２、インバータコントローラ１０６、第１電流検出回路１１０、第２電流検出回路１１２、異常検出器１１４、過電流検出器１１６を備える。

第１電流検出回路１１０は、図２の電流検出回路１０４に相当するものであり、各相のコイル電流（相電流）Ｉ_Ｕ〜Ｉ_Ｗを検出する。第１電流検出回路１１０は、ＤＣＣＴ（直流カレントトランス）あるいは電流センス抵抗を含む。本実施の形態では、第１電流検出回路１１０は、全三相の電流を検出するものとしたが、三相電流の合計はゼロであるため、二相のみ検出し、残りの一相は計算で求めてもよい。

インバータコントローラ１０６は、相電流Ｉ_Ｕ〜Ｉ_Ｗを監視しながら、各時刻において適切なゲート駆動信号Ｓ１を生成し、インバータ１０２のトランジスタをスイッチングする。インバータコントローラ１０６の制御方式は特に限定されず、矩形波駆動、正弦波駆動、ベクトル制御などに適用可能である。このうちベクトル制御は、モータのコイル電流を直交するｄ軸成分およびｑ軸成分に分解し、それぞれを個別に制御するものであり、正弦波駆動の一種とも言える。ベクトル制御は、制御効率が高いという利点を有するため、大電力用途にしばしば用いられる。

インバータコントローラ１０６は、ソフトウェアプログラムによってマイクロコントローラ（マイコン）の内部機能として構成してもよいし、ハードウェアで構成してもよい。

第２電流検出回路１１２は、インバータ１０２に流れる電流を検出する。たとえば第２電流検出回路１１２は、直流母線電流Ｉ_ＤＣを検出するシャント電流検出器１１８を含む。図２のシャント電流検出器１１８を１シャント検出器とも称する。１シャント電流検出器１１８は、インバータ１０２の接地側に設けられるＤＣＣＴあるいは電流センス抵抗を含んでもよい。

回路が正常動作するとき、１シャント電流検出器１１８の出力（検出信号Ｓ２）は、三相コイル電流の合計であり、インバータ１０２の状態に応じて、検出信号Ｓ２が示す直流母線電流Ｉ_ＤＣの成分が時々刻々と変化する。図３は、１シャント電流検出器１１８の電流検出を説明する図である。

図３にはＰＷＭキャリアの１周期の波形が示される。電圧最大相、電圧中間相、電圧最小相は直線で示されているが、実際にはモータの回転数に比例した交流信号であり、モータ２のコイルに印加すべき駆動電圧Ｖ_Ｕ，Ｖ_Ｖ，Ｖ_Ｗの指令値Ｕ，Ｖ，Ｗのうち、最大のもの、中間のもの、最小のものを表す。

ここでは最大電圧相＝Ｕ、中間電圧相＝Ｖ、最小電圧相＝Ｗとする。インバータ１０２の３相の出力Ｖ_Ｕ，Ｖ_Ｖ，Ｖ_Ｗは、ＰＷＭキャリア信号（キャリア三角波）Ｓ_Ｃを対応する指令値Ｕ，Ｖ，Ｗでスライスすることにより得ることができる。すなわち最大電圧相（Ｕ）の出力（Ｖ_Ｕ）は、Ｕ＞Ｓ_Ｃのときハイレベル（Ｖ_ＤＣ）、Ｕ＜Ｓ_Ｃのときローレベル（Ｖ_ＧＮＤ）である。Ｖ_Ｕがハイレベルのとき、ハイサイドアームＭＨＵがオン、ローサイドアームＭＬＵはオフであり、Ｖ_Ｕがローレベルのとき、ハイサイドアームＭＨＵがオフ、ローサイドアームＭＬＵはオンである。

同様に、中間電圧相（Ｖ）の出力（Ｖ_Ｖ）は、Ｖ＞Ｓ_Ｃのときハイレベル、Ｖ＜Ｓ_Ｃのときローレベルである。同様に、最小電圧相（Ｗ）の出力（Ｖ_Ｗ）は、Ｗ＞Ｓ_Ｃのときハイレベル、Ｗ＜Ｓ_Ｃのときローレベルである。

したがって、ＰＷＭキャリアの１周期は、各相のハイレベル、ローレベルの組み合わせに応じて、６個のフェーズφ１〜φ６に分けられる。

図２のサンプリング回路１２０は、図３のタイミングｔ１〜ｔ１２において、直流母線電流Ｉ_ＤＣを示す検出信号Ｓ２をサンプリングする。インバータコントローラ１０６はインバータ１０２のゲート駆動信号Ｓ１にもとづいて、タイミングｔ１〜ｔ１２を指示するタイミング信号Ｓ３を発生する。各タイミングにおける検出信号Ｓ２は、以下の意味をもつ。
ｔ１： 全相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）ハイサイドアームオン状態における下側電流
ｔ２： 電圧最小相（Ｗ） ローサイドアーム ターンオン時の電流
ｔ３： 電圧最小相（Ｗ） 相電流（Ｉ_Ｗ）
ｔ４： 電圧中間相（Ｖ） ローサイドアーム ターンオン時の電流
ｔ５： 電圧最大相（Ｕ） 相電流（Ｉ_Ｕ）
ｔ６： 電圧最大相（Ｕ） ローサイドアーム ターンオン時の電流
ｔ７： 全相（Ｕ，Ｖ，Ｗ） ローサイドアームオン状態における上側電流
ｔ８： 電圧最大相（Ｕ） ハイサイドアーム ターンオン時の電流
ｔ９： 電圧最大相（Ｕ） 相電流（Ｉ_Ｕ）
ｔ１０： 電圧中間相（Ｖ） ハイサイドアーム ターンオン時の電流
ｔ１１： 電圧最小相（Ｗ） 相電流（Ｉ_Ｗ）
ｔ１２： 電圧最小相（Ｗ） ハイサイドアーム ターンオン時の電流

すなわち、タイミングｔ３、ｔ１１において、検出信号Ｓ２は電圧最小相の電流を表し、タイミングｔ５、ｔ９の検出信号Ｓ２は、電圧最大相の電流を表す。

異常検出器１１４は、サンプリング回路１２０によってサンプリングされた検出信号Ｓ４を受ける。異常検出器１１４は、第１電流検出回路１１０が生成する各相電流Ｉ_Ｕ，Ｉ_Ｖ，Ｉ_Ｗの検出値と、第２電流検出回路１１２が生成する対応する相電流Ｉ_Ｕ，Ｉ_Ｖ，Ｉ_Ｗの検出値の関係にもとづいて、インバータ１０２、インバータコントローラ１０６あるいはモータ２等の異常を検出する。

たとえば電圧最大相がＵ，電圧最小相がＷであるとする。この場合、第１電流検出回路１１０が検出したＵ相電流を、第２電流検出回路１１２が検出したタイミングｔ５もしくはｔ９の検出信号Ｓ４と比較することで、異常を検出できる。また第１電流検出回路１１０が検出したＷ相電流を、第２電流検出回路１１２が検出したタイミングｔ３もしくはｔ１１の検出信号Ｓ４と比較することで、異常を検出できる。

たとえば電圧最大相がＶ，電圧最小相がＵに変化したとする。この場合、第１電流検出回路１１０が検出したＶ相電流を、第２電流検出回路１１２が検出したタイミングｔ５もしくはｔ９の検出信号Ｓ４と比較することで、異常を検出できる。また第１電流検出回路１１０が検出したＵ相電流を、第２電流検出回路１１２が検出したタイミングｔ３もしくはｔ１１の検出信号Ｓ４と比較することで、異常を検出できる。

すなわち、回路が正常であるとき、第１電流検出回路１１０による検出値と第２電流検出回路１１２による同じ相電流の検出値は一致する。一方、回路に異常が生じていると、それらの検出値は不一致となる。一例としてインバータ１０２の動作が異常となった場合にスイッチング遅れが発生すると、スパイク状の貫通電流が流れ、２つの検出値に不一致が生ずる。

あるいはあるアームがオフできない場合、そのアームに流れる電流が直流母線電流Ｉ_ＤＣに重畳されるため、この場合も２つの検出値に不一致が生ずる。

異常検出器１１４は、異常を検出すると、異常検出信号Ｓ５をアサート（たとえばハイレベル）する。インバータコントローラ１０６は、異常検出信号Ｓ５のアサートに応答して、インバータ１０２の駆動を緊急停止してもよい。これにより異常状態で駆動装置１００が動作し続けるのを防止できる。

過電流検出器１１６は、１シャント電流検出器１１８の検出信号Ｓ２を所定のしきい値と比較し、過電流状態を検出する。過電流検出器１１６は過電流状態において過電流保護（ＯＣＰ）信号をアサート（たとえばハイレベル）する。インバータコントローラ１０６は、ＯＣＰ信号のアサートに応答してインバータ１０２の駆動を緊急停止してもよい。

過電流検出器１１６と異常検出器１１４によって、１シャント電流検出器１１８を共有することにより、ハードウェアの増加を抑制できる。

異常検出信号Ｓ５あるいはＯＣＰ信号は、図示しない上位のプロセッサに供給されてもよい。この場合、異常検出信号Ｓ５あるいはＯＣＰ信号のアサートに応答して、機器１は、アラートを発生してもよい。これにより機器１の使用者に、駆動装置１００の異常を通知できる。

さらに異常検出器１１４は、タイミングｔ１および／またはｔ７における検出信号Ｓ４にもとづいて異常を検出することができる。

タイミングｔ１において、全相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）ハイサイドアームＭＨＵ〜ＭＷがオン状態であり、ローサイドアームＭＬＵ〜ＭＬＷがオフ状態である。回路が正常であるときこのタイミングでの電流検出値はゼロであり、このタイミングで検出される非ゼロの電流は、ローサイドアームＭＬＵ〜ＭＬＷのリーク電流を表す。したがってタイミングｔ１の検出信号Ｓ４にもとづいて、ローサイドアームＭＬＵ〜ＭＬＷのリーク電流異常を検出できる。

またタイミングｔ７において、全相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）ローサイドアームＭＬＵ〜ＭＬＷがオン状態であり、ハイサイドアームＭＨＵ〜ＭＨＷがオフ状態である。回路が正常であるときこのタイミングでの電流検出値はゼロであり、このタイミングで検出される非ゼロの電流は、ローサイドアームＭＬＵ〜ＭＬＷのリーク電流を表す。したがってタイミングｔ７の検出信号Ｓ４にもとづいて、ハイサイドアームＭＨＵ〜ＭＨＷのリーク電流異常を検出できる。

さらに異常検出器１１４は、タイミングｔ２、ｔ４、ｔ６の少なくともひとつにおける検出信号Ｓ４にもとづいて異常を検出することができる。タイミングｔ２、ｔ４、ｔ６はそれぞれ、最小電圧相、中間電圧相、最大電圧相それぞれのローサイドアームがターンオンした直後の過渡電流を表す。回路が正常であるとき、ローサイドアームのターンオン直後の相電流はリンギングをともなう。一方、スイッチングのオン、オフに遅延が生じていると、貫通電流が観測される。したがってタイミングｔ２，ｔ４，ｔ６の検出信号Ｓ４にもとづいて、貫通電流を検出できる。

また異常検出器１１４は、タイミングｔ８，ｔ１０，ｔ１２の少なくともひとつにおける検出信号Ｓ４にもとづいて異常を検出することができる。タイミングｔ８、ｔ１０、ｔ１２はそれぞれ、最大電圧相、中間電圧相、最小電圧相それぞれのハイサイドアームがターンオンした直後の過渡電流を表す。回路が正常であるとき、ハイサイドアームのターンオン直後の相電流はリンギングをともなう。一方、スイッチングのオン、オフに遅延が生じていると、貫通電流が観測される。したがってタイミングｔ８，ｔ１０，ｔ１２の検出信号Ｓ４にもとづいて、貫通電流を検出できる。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

異常検出器１１４は、複数のタイミングｔ１〜ｔ１２のすべてにおける検出信号Ｓ４を利用する必要は無く、いずれか一つ、あるいは任意の組み合わせにもとづいて異常を検出することができる。したがってインバータコントローラ１０６は、必要なタイミングにおいてのみ、タイミング信号Ｓ３を発生すればよい。

１シャント電流検出器１１８に代えて、３シャント電流検出器を用いてもよい。図４は、３シャント電流検出器１２４の回路図である。３シャント電流検出器１２４は、インバータ１０２の少なくとも２本（図４では３本）のローサイドアームＭＬＵ〜ＭＬＷに流れる電流を検出する。３シャント電流検出器１２４は、各相のローサイドアームと直列に設けられた電流センス抵抗あるいはＤＣＣＴを含みうる。

２…モータ、４…直流電源、１００…駆動装置、１０２…インバータ、１０４…電流検出回路、１０６…インバータコントローラ、１１０…第１電流検出回路、１１２…第２電流検出回路、１１４…異常検出器、１１６…過電流検出器、１１８…１シャント電流検出器、１２０…サンプリング回路、１２４…３シャント電流検出器、Ｓ１…ゲート駆動信号、Ｓ２…検出信号、Ｓ３…タイミング信号、Ｓ４…検出信号、Ｓ５…異常検出信号。

Claims (11)

1. 三相モータの駆動装置であって、
   前記三相モータを駆動するインバータと、
   前記三相モータの少なくとも２相の相電流を検出する第１電流検出回路と、
   前記インバータに流れる電流を検出する第２電流検出回路と、
   前記三相モータの駆動中において、前記第１電流検出回路が生成する所定相の電流の検出値と、前記第２電流検出回路が生成する前記所定相の検出値が不一致である場合に、異常と判定する異常検出器と、
   を備え、
   前記異常検出器は、全相のハイサイドアームがオフであるとき、および／または全相のローサイドアームがオフであるときの前記第２電流検出回路の検出値が非ゼロである場合に、リーク異常と判定することを特徴とする駆動装置。
2. 前記異常検出器は、いずれかの相のローサイドアームがターンオンした直後、および／または、いずれかの相のハイサイドアームがターンオンした直後の、前記第２電流検出回路の検出値にリンギングが生じていない場合に、当該相のハイサイドアームとローサイドアームが同時オンする異常と判定することを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
3. 三相モータの駆動装置であって、
   前記三相モータを駆動するインバータと、
   前記三相モータの少なくとも２相の相電流を検出する第１電流検出回路と、
   前記インバータに流れる電流を検出する第２電流検出回路と、
   前記三相モータの駆動中において、前記第１電流検出回路が生成する所定相の電流の検出値と、前記第２電流検出回路が生成する前記所定相の検出値が不一致である場合に、異常と判定する異常検出器と、
   を備え、
   前記異常検出器は、いずれかの相のローサイドアームがターンオンした直後、および／または、いずれかの相のハイサイドアームがターンオンした直後の、前記第２電流検出回路の検出値にリンギングが生じていない場合に、当該相のハイサイドアームとローサイドアームが同時オンする異常と判定することを特徴とする駆動装置。
4. 前記第２電流検出回路は、直流母線電流を検出するシャント電流検出器を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の駆動装置。
5. 前記第２電流検出回路の出力を所定のしきい値と比較し、過電流状態を検出する過電流検出回路をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の駆動装置。
6. 前記第２電流検出回路は、前記インバータの少なくとも２本のローサイドアームに流れる電流を検出するシャント電流検出器を含むことを特徴とする請求項１または３に記載の駆動装置。
7. 前記インバータは、前記異常検出器が異常を検出すると停止することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の駆動装置。
8. 三相モータの駆動装置であって、
   前記三相モータを駆動するインバータと、
   直流母線電流を検出するシャント電流検出器と、
   前記三相モータの駆動中において、全相のハイサイドアームがオフであるとき、および／または全相のローサイドアームがオフであるときのシャント電流検出器の検出値が非ゼロである場合に、リーク電流異常と判定する異常検出器と、
   を備えることを特徴とする駆動装置。
9. 前記異常検出器は、いずれかの相のローサイドアームがターンオンした直後、および／または、いずれかの相のハイサイドアームがターンオンした直後の、前記シャント電流検出器の検出値にリンギングが生じていない場合に当該相のハイサイドアームとローサイドアームが同時オンする異常と判定することを特徴とする請求項８に記載の駆動装置。
10. 三相モータと、
    前記三相モータを駆動する請求項１から９のいずれかに記載の駆動装置と、
    を備えることを特徴とする電子機器。
11. 三相モータと、
    前記三相モータを駆動する請求項１から９のいずれかに記載の駆動装置と、
    を備えることを特徴とする搬送機器。

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