JP7207040B2

JP7207040B2 - モータ駆動装置

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Publication number: JP7207040B2
Application number: JP2019047141A
Authority: JP
Inventors: 政樹平形
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2019-03-14
Filing date: 2019-03-14
Publication date: 2023-01-18
Anticipated expiration: 2039-03-14
Also published as: JP2020150713A

Description

本発明は、モータ駆動装置に関する。

ハイブリッド自動車等の電動車両に用いられるインバータ及び回転電機を備える電機システムにおいて、システムを構成する部品に何らかの不具合が生じる場合がある。そのような不具合が生じた場合には、システムを継続的な損傷から保護するために、インバータを構成する半導体スイッチング素子を操作して回転電機の巻線を短絡させる短絡モードに切り替える技術が知られている。

ここで、インバータを構成するスイッチング素子を制御して回転電機の巻線を短絡する方法を説明する。例えば、図１は、直流電源１００、平滑コンデンサ２０１及び直流／交流変換部２０２を有する三相インバータ２００と、回転電機３００とを備える電機システムを示す。回転電機３００の巻線を短絡するには、三相インバータ２００の下アームを構成する３つのスイッチング素子をオンし、上アームを構成する３つのスイッチング素子をオフすればよい。また、各アームのスイッチング素子のオン・オフは上記の逆でもよい。

システムを構成する部品の不具合には、三相インバータ２００のスイッチング素子を駆動する駆動回路や制御回路、これらの回路に電力を供給する電源回路（何れも図示せず）等の不具合も含まれる。

システムに不具合が発生した場合には、回転電機の巻線を短絡することで、インバータの主回路の耐圧を超える誘起電圧（回生電圧）の発生を抑え、主回路を保護することが要求される。特に電動車両の衝突等の緊急時には、乗員の安全を確保するために、メインのバッテリを切り離して、インバータの出力電圧（正負の直流母線間の平滑コンデンサの電圧）を所定時間内に規定値以下に低下させることが要求される。

しかしながら、メインのバッテリを切り離した状態で回転電機の短絡モードを継続すると、主回路の直流母線にはエネルギーが供給されなくなる。その状態が継続し、正負の直流母線間に接続された平滑コンデンサの蓄積エネルギーを使い切ると、回転電機の巻線を短絡させるための巻線短絡制御回路を動作させる電源回路が停止してしまう。その結果、回転電機が発電状態であるにも関わらず、短絡モードが解除されて直流母線電圧が上昇することになり、巻線短絡制御回路の動作によって回転電機の巻線を再度短絡するまでの間に直流母線電圧が規定値を超えてしまうおそれがある。

そこで、主回路の直流母線電圧を検出し、この電圧が予め設定した閾値（短絡オフ閾値）以下になったら回転電機の巻線短絡を解除し、直流母線電圧が再び上昇して閾値（短絡オン閾値）を超えた場合に巻線を再度短絡させる技術がある（例えば、特許文献１参照）。

特許第５４３３６０８号公報

しかしながら、従来の技術では、巻線短絡を適切に行うことができない場合があった。

そこで、本開示は、巻線短絡を適切に行うことが可能なモータ駆動装置を提供する。

本開示は、
一対の直流母線の間に接続される上下アームによってモータを駆動するインバータと、
前記直流母線の間に生ずる直流母線電圧が第１の閾値に達したら前記上下アームのうち一方のアームをオンさせて前記モータの巻線を短絡させる短絡動作と、前記直流母線電圧が前記第１の閾値よりも低い第２の閾値に達したら前記短絡動作を解除する解除動作とを繰り返す制御回路と、
前記モータの速度を検出する速度検出部とを備え、
前記制御回路は、前記速度検出部により検出されたモータ速度に応じて、前記第１の閾値を補正する、モータ駆動装置を提供する。

また、本開示は、
一対の直流母線の間に接続される上下アームによってモータを駆動するインバータと、
前記直流母線の間に生ずる直流母線電圧が第１の閾値に達したら前記上下アームのうち一方のアームをオンさせて前記モータの巻線を短絡させる短絡動作と、前記直流母線電圧が前記第１の閾値よりも低い第２の閾値に達したら前記短絡動作を解除する解除動作とを繰り返す制御回路と、
前記モータの速度を検出する速度検出部とを備え、
前記制御回路は、前記速度検出部により検出されたモータ速度に応じて、前記第１の閾値と前記第２の閾値との間のヒステリシスを補正する、モータ駆動装置を提供する。

また、本開示は、
一対の直流母線の間に接続される上下アームによってモータを駆動するインバータと、
前記直流母線の間に生ずる直流母線電圧が第１の閾値に達したら前記上下アームのうち一方のアームをオンさせて前記モータの巻線を短絡させる短絡動作と、前記直流母線電圧が前記第１の閾値よりも低い第２の閾値に達したら前記短絡動作を解除する解除動作とを繰り返す制御回路と、
異常を検出する異常検出部とを備え、
前記制御回路は、前記異常検出部により異常が検出された場合、前記第１の閾値を補正する、モータ駆動装置を提供する。

本開示によれば、巻線短絡を適切に行うことが可能なモータ駆動装置を提供できる。

インバータ及び回転電機を備える電機システムの構成例を示す図である。一実施形態の構成例を示すブロック図である。第１の繰り返し制御方法による動作例を示すタイミングチャートである。第２の繰り返し制御方法による動作例を示すタイミングチャートである。アーム電流検出部の一例を示す図である。第２の制御回路の一例を示す図である。センス電流検出信号とカウンタ入力信号の波形例を示すタイミングチャートである。第１の制御回路の一例を示す図である。相電流検出信号とカウンタ入力信号の波形例を示すタイミングチャートである。一比較形態における巻線短絡時の動作例を示すタイミングチャートである。一実施形態における巻線短絡時の動作例を示すタイミングチャートである。第２の制御回路の一例を示す図である。

以下、本開示の実施形態を図面を参照して説明する。図２は、一実施形態におけるモータ駆動装置の構成例を示すブロック図である。図２に示すモータ駆動装置１０１は、一対の直流母線の間に接続される上下アームによってモータＰＭを駆動するインバータ１１１と、インバータ１１１を制御する制御装置１２１とを備える。モータＰＭは、例えば、永久磁石同期電動機である。

インバータ１１１は、例えば、Ｕ相駆動回路と、Ｖ相駆動回路と、Ｗ相駆動回路とを有する三相インバータである。Ｕ相駆動回路は、モータＰＭのＵ相の固定子巻線に中点が接続される上下アームと、当該上下アームを駆動する一対のアーム駆動回路１２ａ，１２ｂとを有する。図２には、上アームの一例であるスイッチング素子４と、下アームの一例であるスイッチング素子５とが示されている。他のＶ相駆動回路及びＷ相駆動回路も、Ｕ相駆動回路と同じ構成を有する。Ｖ相駆動回路は、モータＰＭのＶ相の固定子巻線に中点が接続される上下アームと、当該上下アームを駆動する一対のアーム駆動回路とを有し、Ｗ相駆動回路は、モータＰＭのＷ相の固定子巻線に中点が接続される上下アームと、当該上下アームを駆動する一対のアーム駆動回路とを有する。スイッチング素子４，５の具体例として、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などが挙げられる。

図２には、インバータ１１１の主回路一相分のＵ相駆動回路と、インバータ１１１を制御する制御装置１２１との回路構成が明示されている。各相の駆動回路には、制御装置１２１から並列的に電力を供給することができる。

次に、制御装置１２１の構成について説明する。制御装置１２１は、低圧電源６に接続される低圧部と、電源電圧が低圧電源６よりも高い高圧電源１に接続される高圧部とを有し、低圧部と高圧部とは互いに絶縁されている。

低圧電源６の正負極間には、低圧電源用スイッチ７を介して、低圧側電源生成回路８と上アーム駆動回路用電源回路１３とが並列に接続されている。低圧側電源生成回路８からは、第１の制御回路９ａに電力が供給される。

第１の制御回路９ａは、スイッチング素子４，５をオン・オフさせるための制御信号Ｇｕ，Ｇｘを生成する機能を有する。例えば、第１の制御回路９ａは、回転角度検出部２６から出力される角度検出信号θ_Ｍと、相電流検出部２５から出力される相電流検出信号ｉｕ＿ｄｅｔ，ｉｖ＿ｄｅｔ，ｉｗ＿ｄｅｔとに基づいてモータＰＭのトルク制御を行って、制御信号Ｇｕ，Ｇｘを生成する。回転角度検出部２６は、モータＰＭの回転角度を検出し、検出された回転角度に応じた角度検出信号を出力する機能を有し、その具体例として、エンコーダがある。相電流検出部２５は、モータＰＭに流れる三相の相電流を検出し、検出された相電流に応じた相電流検出信号を出力する機能を有し、その具体例として、電流センサがある。

また、第１の制御回路９ａは、低圧側電源生成回路８への供給電源電圧（低圧電源６の電圧）の異常、第１の制御回路９ａへの供給電源電圧の異常、または第１の制御回路９ａ自身の異常を第２の制御回路２７に知らせる異常検出信号Ｓ１を生成する機能を有する。

第１の制御回路９ａには、不図示の上位の制御装置から出力される上位信号が入力される。この上位信号には、システム構成機器や回路の異常検出信号（例えば、低圧電源６の電圧異常が検出されたことを表す信号）が含まれる。第１の制御回路９ａは、その上位の制御装置から出力される異常検出信号を受信すると、異常検出信号Ｓ１を生成する機能を有してもよい。

上アームのスイッチング素子４に対する制御信号Ｇｕは、制御信号伝送回路１６ａを介して上アーム駆動回路１２ａに送られる。下アームのスイッチング素子５に対する制御信号Ｇｘは、制御信号伝送回路１６ｂ及び論理積ゲート２８を介して下アーム駆動回路１２ｂに送られる。第１の制御回路９ａから出力される異常検出信号Ｓ１は、異常信号伝送回路１７を介して第２の制御回路２７に送られる。

ここで、制御回路の基準電位とスイッチング素子の基準電位とは異なるため、図２に示すように、回路を構成するブロックごとに基準電位が分離されている。すなわち、Ｇ_０は、低圧電源６、低圧側電源生成回路８、第１の制御回路９ａ、及び、上アーム駆動回路用電源回路１３の低圧側の基準電位である。Ｇ_１は、上アーム駆動回路用電源回路１３の高圧側の基準電位である。Ｇ_３は、インバータ１１１の主回路の基準電位である。

制御信号伝送回路１６ａは、基準電位をＧ_０とする制御信号Ｇｕを、絶縁部を介して、基準電位をＧ_１とする信号に変換し、上アーム駆動回路１２ａに伝送する。制御信号伝送回路１６ｂは、基準電位をＧ_０とする制御信号Ｇｘを、絶縁部を介して、基準電位をＧ_３とする信号に変換し、下アーム駆動回路１２ｂに伝送する。異常信号伝送回路１７は、基準電位をＧ_０とする異常検出信号Ｓ１を、絶縁部を介して、基準電位をＧ_３とする信号に変換し、第２の制御回路２７に伝送する。

一方、高圧電源１の正極には、コンタクタ等の高圧電源用スイッチ２を介して正極母線７１が接続されている。高圧電源１の負極には、負極母線７２が接続されている。正極母線７１と負極母線７２との間には、平滑コンデンサ３が接続されているとともに、三相分の上下アームの直列回路が接続されている。

上アーム駆動回路１２ａには、上アーム駆動回路用電源回路１３から電力が供給され、下アーム駆動回路１２ｂには、平滑コンデンサ３の両端に接続された高圧側電源生成回路１４から電力が供給される。高圧側電源生成回路１４は、第２の制御回路２７にも電力を供給する。上アーム駆動回路用電源回路１３は、低圧電源６から低圧電源用スイッチ７を介して入力される電圧を所定の電圧に降圧変換して上アーム駆動回路１２ａに供給する機能を備える。高圧側電源生成回路１４は、一対の直流母線から入力される電圧を所定の電圧に降圧変換して下アーム駆動回路１２ｂ及び第２の制御回路２７に供給する機能を備える。高圧側電源生成回路１４は、一対の直流母線を電力供給源とする電源生成回路の一例である。

高圧側電源生成回路１４により生成された電力は、各相の駆動回路内の論理積ゲート２８にも供給される。論理積ゲート２８は、第１の制御回路９ａから制御信号伝送回路１６ｂを介して入力される制御信号Ｇｘと、第２の制御回路２７から入力される巻線短絡オフ信号Ｇ＿ＯＦＦとの論理積を表す制御信号を、下アーム駆動回路１２ｂに出力する。

なお、図示されていないが、低圧電源６を電力供給源とする電源回路１３を、下アーム駆動回路１２ｂに電力を供給する電源回路とし、高圧電源１を電力供給源とする高圧側電源生成回路１４を、上アーム駆動回路１２ａに電力を供給する電源回路としてもよい。

図１において、主回路の平滑コンデンサ３には、第１の電圧検出回路３０及び第２の電圧検出回路３１が並列に接続されている。第１の電圧検出回路３０は、正極母線７１と負極母線７２との電位差である直流母線電圧を検出し、その直流母線電圧検出値Ｖｄｃ＿ｄｅｔ１を第１の電圧検出値として第１の制御回路９ａに出力する。第１の電圧検出回路３０は、低圧側電源生成回路８から供給される電力で動作する。第２の電圧検出回路３１は、正極母線７１と負極母線７２との電位差である直流母線電圧を検出し、その直流母線電圧検出値Ｖｄｃ＿ｄｅｔ２を第２の電圧検出値として第２の制御回路２７に出力する。正極母線７１と負極母線７２との間の直流母線電圧は、平滑コンデンサ３の両端及び上下アームの両端に印加される。

第２の制御回路２７は、第２の制御回路２７への供給電源電圧、または第２の制御回路２７自身の異常を第１の制御回路９ａに知らせる異常検出信号Ｓ３を生成する機能を有する。第２の制御回路２７から出力される異常検出信号Ｓ３は、異常信号伝送回路１８を介して第１の制御回路９ａに送られる。異常信号伝送回路１８は、基準電位をＧ_３とする異常検出信号Ｓ３を、絶縁部を介して、基準電位をＧ_０とする信号に変換し、第１の制御回路９ａに伝送する。

ところで、第１の制御回路９ａは、所定のシステム異常が発生した場合、インバータ１１１全相の上アームまたは下アームをオンさせることで、モータＰＭの巻線を短絡させる機能を有する。一方、第２の制御回路２７は、所定のシステム異常が発生した場合、インバータ１１１全相の一方のアーム（図２に例示する形態では、下アーム）をオンさせることで、モータＰＭの巻線を短絡させる機能を有する。このような巻線短絡を行うことによって、インバータ１１１に流入するモータＰＭの回生電力を抑制でき、モータ駆動装置１０１を過電圧から保護できる。

第１の制御回路９ａは、低圧電源６から低圧側電源生成回路８を介して供給される電力で動作し、第２の制御回路２７は、高圧電源１から高圧側電源生成回路１４を介して供給される電力で動作する。したがって、巻線短絡は、低圧側電源（低圧電源６又は低圧側電源生成回路８）が故障しても、第２の制御回路２７によって実施でき、高圧側電源（高圧電源１又は高圧側電源生成回路１４）が故障しても、第１の制御回路９ａによって実施できる。つまり、モータ駆動装置１０１は、低圧側電源と高圧側電源のどちらかが故障しても、巻線短絡動作ができるように構成されている。

一方、所定のシステム異常（例えば、低圧電源６の電圧異常）が発生すると、制御装置１２１よりも上位の不図示の制御装置は、フェールセーフのために高圧電源用スイッチ２をオフにする場合がある。この場合、第２の制御回路２７がインバータ１１１全相の一方のアーム（図２の形態の場合、下アーム）をオンにしたまま巻線短絡を継続させると、モータＰＭから各相の駆動回路を介して回生される電力が無くなる。その状態が継続し、平滑コンデンサ３の蓄積エネルギーが無くなってしまうと、第２の制御回路２７及び下アーム駆動回路１２ｂを動作させるための電力を供給する高圧側電源生成回路１４が停止し、巻線短絡を継続することができなくなる。これを防ぐため、第２の制御回路２７は、直流母線電圧が高圧側電源生成回路１４の最低作動電圧（動作下限電圧）よりも少し高い電圧値に設定された短絡オフ閾値に達したら巻線短絡を解除する。これにより、モータＰＭから直流母線への回生が再開するので、高圧側電源生成回路１４の電源は確保され、高電圧側電源生成回路２７は、その回生電力を利用して、第２の制御回路２７及び下アーム駆動回路１２ｂを動作させるための電力を生成できる。モータＰＭからの回生電力により直流母線電圧は再び上昇するので、第２の制御回路２７は、直流母線電圧が短絡オン閾値に達したら巻線を再度短絡させる。短絡オン閾値は、第１の閾値の一例であり、短絡オフ閾値は、第１の閾値よりも低い第２の閾値の一例である。

このように、第２の制御回路２７は、直流母線電圧が第１の閾値に達したら一方のアームをオンさせてモータＰＭの巻線を短絡させる短絡動作と、直流母線電圧が第１の閾値よりも低い第２の閾値に達したら当該短絡動作を解除する解除動作とを繰り返す。高圧電源１から一対の直流母線に供給される電力が高圧電源用スイッチ２により遮断された状態で、この繰り返し制御が行われると、直流母線電圧は、短絡オン閾値と短絡オフ閾値との間の電圧範囲を跨ぐように上下動する状態に維持される（図３，４参照）。

図３は、短絡動作と解除動作とを繰り返す第１の繰り返し制御方法による動作例を示すタイミングチャートである。図４は、短絡動作と解除動作とを繰り返す第２の繰り返し制御方法による動作例を示すタイミングチャートである。第１の繰り返し制御方法は、第２の繰り返し制御方法と比較するための一例である。

図３，４において、短絡オン閾値及び短絡オフ閾値は、例えば、人が感電しないような低電圧（例えば、「ＪＩＳＤ５３０５－３電気自動車－安全に関する仕様－第３部：電気危害に対する人の保護」に記載されているように、６０ボルト以下）に設定される。この低電圧は、安全電圧と呼ばれることがある。なお、短絡オン閾値及び短絡オフ閾値は、安全電圧とは別の観点で定義された規定電圧（例えば、インバータ１１１の主回路の耐電圧よりも低く設定された電圧）でもよい。更に、短絡オフ閾値は、例えば、主回路の直流母線電圧を入力とする制御電源回路（図２の場合、高圧側電源生成回路１４）の動作下限電圧よりも高く設定される。

ここで、主回路の直流母線電圧が短絡オン閾値を超えたことを検出してから巻線が実際に短絡されるまでには、遅延時間（以下、"遅延時間ｄ"とも称する）が存在する。モータＰＭのモータ速度が大きいほど、モータＰＭからの回生電力は大きくなる。そのため、図３に示すように、モータ速度の大小に関わらず短絡オン閾値が常に一定値であると、直流母線電圧が遅延時間ｄで変化する量（電圧過上昇値）は、モータ速度が大きい場合、モータ速度が小さい場合に比べて、大きくなる。これにより、モータ速度が大きくなるほど、スイッチング素子等のデバイスの製造ばらつきによっては、直流母線電圧のピーク値が、短絡オン閾値に対して想定よりも大きくずれてしまうおそれがある。その結果、例えば、直流母線電圧のピーク値が規定電圧を超えてしまうおそれがある。このように、巻線短絡を適切に行うことができない場合がある。

これに対し、図４に示すように、モータ速度に応じて短絡オン閾値を補正することによって、直流母線電圧のピーク値が、短絡オン閾値に対して想定よりも大きくずれても、そのずれを抑制できる。また、直流母線電圧のピーク値が規定電圧を超える可能性を低減できる。したがって、巻線短絡を適切に行うことが可能である。

特に、図４に示すように、モータ速度が大きい場合、モータ速度が小さい場合に比べて、短絡オン閾値を低下させることによって、モータ速度が異なっても直流母線電圧のピーク値の違いを小さくでき、異なるモータ速度でそれらのピーク値を揃えることができる。この際、検出されたモータ速度の大きさに応じて決められた低下量で、短絡オン閾値を低下させる。これにより、短絡オン閾値を規定電圧に近づけることができ、高圧側電源生成回路１４の小型化という後述の効果に貢献する。

また、ノイズによる誤動作や、巻線短絡を行っているスイッチング素子のスイッチング損失低減などの観点から、所定の電圧幅ΔＶｄｃを確保することが必要である。そのため、想定される最小モータ速度でも電圧幅ΔＶｄｃが確保されるように、ヒステリシス（＝短絡オン閾値－短絡オフ閾値）が設計される。

しかしながら、図３に示すように、モータ速度の大小に関わらずヒステリシスが常に一定値であると、直流母線電圧の変動幅（波高値）は、モータ速度が大きい場合、モータ速度が小さい場合に比べて、大きくなる。これにより、モータ速度が大きくなるほど、スイッチング素子等のデバイスの製造ばらつきによっては、直流母線電圧の変動幅が、所望の電圧幅ΔＶｄｃに対して想定よりも大きくずれてしまうおそれがある（電圧幅ΔＶｄｃが必要以上に確保されてしまう）。その結果、例えば、直流母線電圧のピーク値が規定電圧を超えてしまうおそれがある。このように、巻線短絡を適切に行うことができない場合がある。

これに対し、図４に示すように、モータ速度に応じてヒステリシスを補正することによって、直流母線電圧の変動幅が、所望の電圧幅ΔＶｄｃに対して想定よりも大きくずれても、そのずれを抑制できる。また、直流母線電圧のピーク値が規定電圧を超える可能性を低減できる。したがって、巻線短絡を適切に行うことが可能である。

特に、図４に示すように、モータ速度が大きい場合、モータ速度が小さい場合に比べて、ヒステリシスを小さくすることによって、モータ速度が異なっても直流母線電圧の変動幅の違いを小さくでき、異なるモータ速度でそれらの変動幅を揃えることができる。この際、検出されたモータ速度の大きさに応じて決められた減少量で、ヒステリシスを減少させる。これにより、モータ速度が比較的大きいとき、電圧幅ΔＶｄｃが必要以上に確保されないので（直流母線電圧の無駄な変動分が小さくなるので）、高圧側電源生成回路１４の小型化という後述の効果に貢献する。

また、上述のように、モータ速度が大きくなるほど、スイッチング素子等のデバイスの製造ばらつきによっては、直流母線電圧のピーク値が、規定電圧を超えてしまうおそれがある。そのため、図３に示すように、モータ速度の大小に関わらず短絡オン閾値が常に一定値であると、想定される最大モータ速度で直流母線電圧が規定電圧を超えないように短絡オン閾値を低めに設定して余裕をもたせる必要がある。一方、上述のように、所定の電圧幅ΔＶｄｃを確保する必要もある。そのため、短絡オン閾値が上記のように低めに設定されると、短絡オフ閾値も低めに設定されることになる。その結果、直流母線電圧を入力とする制御電源回路（図２の場合、高圧側電源生成回路１４）の動作下限電圧を下げなければならない。

ここで、通常運転時の直流母線電圧の最大値が６００ボルト以上になる装置も存在する。よって、高圧側電源生成回路１４の動作下限電圧が下がると、主回路の直流母線を電力供給源とする高圧側電源生成回路１４の入力電圧範囲は更に広がる。高圧側電源生成回路１４に入力される電圧が低くなるほど、同じ出力を得るために入力電流が増加するので、高圧側電源生成回路１４内のトランジスタやトランスの一次巻線の導通損失は、増大する。高耐圧のトランジスタは、そのオン抵抗が比較的高い傾向にあるので、入力電流の増加に対する導通損失の増大の影響を顕著に受ける。したがって、高圧側電源生成回路１４の動作下限電圧が下がることにより高圧側電源生成回路１４の入力電圧範囲が広がると、その広範囲の入力電圧範囲に対応できるように、それらの主要部品が大型化し、高圧側電源生成回路１４が大型化するおそれがある。

しかしながら、図４に示すように、モータ速度が大きい場合、モータ速度が小さい場合に比べて、短絡オン閾値を低下させることによって、短絡オン閾値を高めに設定でき規定電圧との間のマージンを小さくできる。これにより、所望の電圧幅ΔＶｄｃを確保したまま、短絡オフ閾値を高めに設定できるので、高圧側電源生成回路１４の動作下限電圧を引き上げることができる。これにより、高圧側電源生成回路１４に入力され得る電圧の範囲が狭まるので、スイッチング素子やトランス等の主要部品を小型化でき、高圧側電源生成回路１４の小型化が可能となる。同様に、モータ速度が大きい場合、モータ速度が小さい場合に比べて、ヒステリシスを小さくすることによっても、直流母線電圧の無駄な変動分が小さくなるので、所望の電圧幅ΔＶｄｃを確保したまま、短絡オン閾値及び短絡オフ閾値を高めに設定できる。したがって、高圧側電源生成回路１４の動作下限電圧を引き上げることができるので、高圧側電源生成回路１４の小型化が可能となる。

図４に示す上述の制御方法（短絡動作と解除動作とを繰り返す第２の繰り返し制御方法）は、第１の制御回路９ａによって実行されてもよいし第２の制御回路２７によって実行されてもよい。第１の制御回路９ａと第２の制御回路２７の両方が、短絡動作と解除動作の繰り返し制御を行うことが可能であると、一方の制御回路が繰り返し制御を行うことができない状況でも他方の制御回路が繰り返し制御を行うことが可能となる。

また、例えば、第１の制御回路９ａ又は第２の制御回路２７は、図４に示すように、異なるモータ速度で直流母線電圧の変動幅が等しくなるように、短絡オン閾値又はヒステリシスを補正してもよい。これにより、直流母線電圧を想定値に高精度に制御できる。

第１の制御回路９ａ又は第２の制御回路２７は、検出されたモータ速度の大きさに応じて決められた補正量で短絡オン閾値を補正することによって、ヒステリシスを補正してもよい。これにより、直流母線電圧のピーク値と直流母線電圧の変動幅との両方のずれを一緒に補正できる。

また、図４に示すように、第１の制御回路９ａ又は第２の制御回路２７は、検出された直流母線電圧が規定電圧を超えないように、モータ速度が大きい場合、モータ速度が小さい場合に比べて、規定電圧と短絡オン閾値との差を大きくしてもよい。これにより、モータ速度の大小が変化しても、直流母線電圧のピーク値を規定電圧に高精度に近づけることができる。

次に、図２に示すモータ駆動装置１０１が図４に示す制御方法に従って制御する場合の動作例についてより詳細に説明する。

［Ａ．第１の制御回路９ａが短絡巻線信号を出力する場合］
（Ａ１）第１の制御回路９ａは、低圧電源６の電圧異常が検出されず且つ第１の制御回路９ａ自身の異常が検出されない状態で第２の制御回路２７からの異常検出信号Ｓ３を検知した場合、上アーム又は下アームを全相オンにして巻線を短絡させる信号を出力する。

（Ａ２）第１の制御回路９ａは、第１の電圧検出回路３０により検出された直流母線電圧（直流母線電圧検出値Ｖｄｃ＿ｄｅｔ１）が短絡オフ閾値を下回ったら、巻線短絡をオフにする信号（巻線短絡を解除する信号）を出力する。

（Ａ３）第１の制御回路９ａは、回転角度検出部２６により巻線短絡オフ直前に検出される回転角度に基づいてモータＰＭの回転数（モータ速度）を演算し、そのモータ速度の演算値に従って短絡オン閾値を補正する。

（Ａ４）第１の制御回路９ａは、第１の電圧検出回路３０により検出された直流母線電圧が短絡オン閾値を上回ったら、再度、巻線を短絡させる信号を出力する。

（Ａ５）第１の制御回路９ａは、それ以降、Ａ２からＡ４を繰り返す。

［Ｂ．第２の制御回路２７が短絡巻線信号を出力する場合］
（Ｂ１）第２の制御回路２７は、第１の制御回路９ａからの異常検出信号Ｓ１を検知した場合、下アームを全相オンして巻線を短絡させる信号（巻線短絡オフ信号Ｇ＿ＯＦＦ）を出力する。

（Ｂ２）第２の制御回路２７は、第２の電圧検出回路３１により検出された直流母線電圧（直流母線電圧検出値Ｖｄｃ＿ｄｅｔ２）が短絡オフ閾値を下回ったら、巻線短絡をオフにする信号を出力する。

（Ｂ３）第２の制御回路２７は、下アームのセンス電流検出部により巻線短絡オフ直前に検出されたセンス電流の周期に基づいて回生電流の周波数（モータ速度と等価）を演算し、その周波数演算値に従って短絡オン閾値を補正する。

（Ｂ４）第２の制御回路２７は、第２の電圧検出回路３１により検出された直流母線電圧が短絡オン閾値を上回ったら、再度、巻線を短絡させる信号を出力する。

（Ｂ５）第２の制御回路２７は、それ以降、Ｂ２からＢ４を繰り返す。

図５は、センス電流検出部の一例を示す図である。図５に示すセンス電流検出部５ａは、第２の制御回路２７によって巻線短絡が行われる下アームに流れるアーム電流を検出するアーム電流検出部の一例である。センス電流検出部５ａは、スイッチング素子５のエミッタ電流に対応するセンス電流を検出し、検出されたセンス電流の大きさに応じたセンス電流検出信号ｉＸ＿ＩＧＢＴを出力する。センス電流検出信号ｉＸ＿ＩＧＢＴは、一方のアームに流れるアーム電流の大きさを表すアーム電流検出信号の一例であり、この場合、スイッチング素子５のエミッタ電流の大きさを表す。

図６は、第２の制御回路２７の一例を示す図である。第２の制御回路２７は、センス電流検出信号ｉＸ＿ＩＧＢＴの周期的変化に基づいて、モータＰＭの速度を検出する速度検出部４０を有する。

速度検出部４０は、複数の下アームのうちいずれかの下アームのセンス電流検出信号ｉＸ＿ＩＧＢＴの半周期をコンパレータ４１により検出し、検出された半周期に対応するパルス信号をカウンタ４２によりカウントする（図７参照）。図６において、速度検出部４０は、カウンタ４２により得られたカウント値の逆数を除算器４３により演算することによって、モータ速度を検出（推定）する。

第２の制御回路２７は、速度検出部４０により演算された逆数（つまり、モータ速度の推定値）にゲインＫを乗算器４４で乗算することによって得られる値を短絡オン閾値の補正量とする。ゲインＫは、例えば、巻線短絡オン時の遅延時間ｄに応じて決められる。第２の制御回路２７は、短絡オン閾値の基準値Ｖ１からこの補正量を減算器４５により減算することによって、補正された短絡オン閾値Ｖｒｅｆ（ＯＮ）を算出する。

第２の制御回路２７は、直流母線電圧検出値Ｖｄｃ＿ｄｅｔ２と短絡オン閾値Ｖｒｅｆ（ＯＮ）とをコンパレータ４７により比較することによって巻線短絡を開始させるセット信号Ｓを生成する。一方、第２の制御回路２７は、直流母線電圧検出値Ｖｄｃ＿ｄｅｔ２と短絡オフ閾値Ｖｒｅｆ（ＯＦＦ）とをコンパレータ４６により比較することによって巻線短絡を解除させるリセット信号Ｒを生成する。第２の制御回路２７は、セット信号Ｓとリセット信号Ｒが入力されるＲＳフリップフロップ４８により、巻線短絡オフ信号Ｇ＿ＯＦＦを生成して出力する。

このように、第２の制御回路２７が繰り返し制御を行う場合、下アームに流れるアーム電流を検出するセンス電流検出部５ａから出力されるセンス電流検出信号ｉＸ＿ＩＧＢＴに基づいて、モータＰＭの速度を検出する。これにより、モータ速度の検出機能含む第１の制御回路９ａが異常状態となった場合に、第２の制御回路２７にてモータ速度を検出する新たな検出素子が無くても、モータＰＭの速度を推定することが可能となり、小型化やコストダウンが可能となる。

図８は、第１の制御回路９ａの一例を示す図である。第１の制御回路９ａは、相電流検出信号ｉｕ＿ｄｅｔ，ｉｖ＿ｄｅｔ，ｉｗ＿ｄｅｔのうちの少なくとも一つの周期的変化に基づいて、モータＰＭの速度を検出する速度検出部５０を有する。

速度検出部５０は、例えば、相電流検出信号ｉｕ＿ｄｅｔの半周期をコンパレータ５１により検出し、検出された半周期に対応するパルス信号をカウンタ５２によりカウントする（図９参照）。図８において、速度検出部５０は、カウンタ５２により得られたカウント値の逆数を除算器５３により演算することによって、モータ速度を検出（推定）する。

第１の制御回路９ａは、速度検出部５０により演算された逆数（つまり、モータ速度の推定値）にゲインＫを乗算器５４で乗算することによって得られる値を短絡オン閾値の補正量とする。ゲインＫは、例えば、巻線短絡オン時の遅延時間ｄに応じて決められる。第１の制御回路９ａは、短絡オン閾値の基準値Ｖ１からこの補正量を減算器５５により減算することによって、補正された短絡オン閾値Ｖｒｅｆ（ＯＮ）を算出する。

第１の制御回路９ａは、直流母線電圧検出値Ｖｄｃ＿ｄｅｔ１と短絡オン閾値Ｖｒｅｆ（ＯＮ）とをコンパレータ５７により比較することによって巻線短絡を開始させるセット信号Ｓを生成する。一方、第１の制御回路９ａは、直流母線電圧検出値Ｖｄｃ＿ｄｅｔ１と短絡オフ閾値Ｖｒｅｆ（ＯＦＦ）とをコンパレータ５６により比較することによって巻線短絡を解除させるリセット信号Ｒを生成する。第１の制御回路９ａは、セット信号Ｓとリセット信号Ｒが入力されるＲＳフリップフロップ５８により、巻線短絡オフ信号Ｇ＿ＯＦＦを生成する。

また、第１の制御回路９ａは、角度検出信号θ_Ｍと相電流検出信号ｉｕ＿ｄｅｔ，ｉｖ＿ｄｅｔ，ｉｗ＿ｄｅｔとに基づいて、モータＰＭのトルク制御を行うモータ制御回路６１を有する。モータ制御回路６１は、トルク制御に基づいて、所望のトルクがモータＰＭに発生するように、上下アームのそれぞれのアームゲート信号を生成する。また、第１の制御回路９ａは、第２の制御回路２７から出力される異常検出信号Ｓ３を検出するフェールセーフ処理回路６２を有する。フェールセーフ処理回路６２は、異常検出信号Ｓ３の入力を検出した場合、上アーム又は下アームの全相をオンさせるアームオン信号を出力する。

第１の制御回路９ａは、巻線短絡オフ信号Ｇ＿ＯＦＦと上アームオン信号との論理積を出力する論理積ゲート６３と、巻線短絡オフ信号Ｇ＿ＯＦＦと下アームオン信号との論理積を出力する論理積ゲート６４とを有する。また、第１の制御回路９ａは、論理積ゲート６３の出力と上アームゲート信号との論理和を出力する論理和ゲート６５と、論理積ゲート６４の出力と下アームゲート信号との論理和を出力する論理和ゲート６６とを有する。論理和ゲート６５は、上アームのゲートを制御する制御信号Ｇｕを出力し、論理和ゲート６６は、下アームのゲートを制御する制御信号Ｇｘを出力する。

このように、第１の制御回路９ａが繰り返し制御を行う場合、モータＰＭの回転角度を検出する回転角度検出部２６から出力される角度検出信号θ_Ｍに基づいて、モータＰＭの速度を検出する。このとき、更に、回転角度検出部２６の異常が検知されたとき、モータＰＭに流れる相電流を検出する相電流検出部２５から出力される相電流検出信号ｉｕ＿ｄｅｔに基づいて、モータＰＭの速度を検出する。これにより、回転角度検出部２６に異常が発生しても、相電流検出信号ｉｕ＿ｄｅｔに基づいて、モータＰＭの回転速度を推定できるので、異常時の信頼性が向上する。また、第１の制御回路９ａにトルク制御用に入力される既存の相電流検出信号を利用するので、アーム電流センス信号を受信するインタフェース回路が無くても、モータＰＭの速度を推定することが可能となり、小型化やコストダウンが可能となる。

次に、モータ駆動装置１０１が、所定の異常を検出する異常検出部を備える場合の構成例について説明する。

モータ巻線短絡を行う主な目的として、２つの目的がある。１つ目は、衝突事故などでモータ駆動装置が構造的に破壊した場合にモータ回生電力を止め、外部に接続された放電手段等により速やかに充電部の電圧を安全電圧以下とし、乗員を感電から保護することである。２つ目は、過大なモータ回生電力からモータ駆動装置を保護することである。

短絡動作と短絡解除動作との繰り返し制御を行う場合、短絡オン閾値を安全電圧以下に設定すれば、一般的にモータ駆動装置の破壊電圧よりも安全電圧の方が低いため、上記２つの目的は達成される。

しかしながら、高速走行中、モータ駆動装置の故障等で巻線短絡を上記の２つ目の目的で行うと、車両の惰性により比較的長時間モータは回転し続ける。そのため、短絡オン閾値を安全電圧以下に設定すると、巻線が短絡されている状態が長時間に及び、巻線短絡を行っている半導体スイッチング素子に過大な熱ストレスが生ずるおそれがある（図１０参照）。このように、巻線短絡を適切に行うことができない場合がある。

そこで、モータ駆動装置１０１は、所定の異常を検出する異常検出部を備え、第１の制御回路９ａと第２の制御回路２７の少なくとも一方は、当該異常検出部により異常が検出された場合、短絡オン閾値を補正する機能を有してもよい。これにより、所定の異常が検出された場合に、短絡オン閾値を補正することが可能なため、巻線短絡を適切に行うことが可能である。例えば、いずれかの制御回路は、異常検出部により検出された異常の違いに応じて異なる電圧値に、短絡オン閾値を変更してもよい。これにより、異常の種類に応じた適切な電圧値とタイミングで巻線短絡を開始できる。

また、例えば、いずれかの制御回路は、異常検出部により車両の衝突が検出された場合、短絡オン閾値を第１の電圧値に設定し、異常検出部により車両の衝突とは異なる異常が検出された場合、短絡オン閾値を第１の電圧値よりも高い第２の電圧値に設定する。これにより、衝突以外の異常では、短絡オン閾値が上げることで巻線短絡期間が減少するので（図１１参照）、半導体スイッチング素子の発熱量を下げることができる。よって、半導体スイッチング素子及びそれらの冷却装置に関して、小型化やコストダウンが可能となる。例えば、第２の電圧値は、安全電圧よりも高く、且つ、モータ駆動装置１０１内のインバータ１１１の主回路部の耐電圧以下に設定されると好ましい。

一方、衝突による異常では、短絡オン閾値を下げることでモータ駆動装置の構造的破壊による感電から乗員を守ることができる。この場合、第１の電圧値は、安全電圧以下に設定されることが好ましい。

図１２には、第２の制御回路２７が異常検出部４９を有する構成が例示されている。図１２に示す第２の制御回路２７は、図６に示す第２の制御回路２７の構成に対して、異常検出部４９が追加されている。

異常検出部４９は、車両の衝突を知らせる異常信号（衝突信号）が入力された場合、スイッチ４９ａ，４９ｂにより、短絡オン閾値の基準値を第２の短絡オン閾値Ｖ２から第１の短絡オン閾値Ｖ１に切り替える。Ｖ１は、Ｖ２よりも小さい。また、異常検出部４９は、車両の衝突を知らせる異常信号（衝突信号）が入力された場合、スイッチ４９ｃ，４９ｄにより、短絡オフ閾値Ｖｒｅｆ（ＯＦＦ）、第２の短絡オフ閾値Ｖｒｅｆ２（ＯＦＦ）から第１の短絡オフ閾値Ｖｒｅｆ１（ＯＦＦ）に切り替える。Ｖｒｅｆ１（ＯＦＦ）は、Ｖｒｅｆ２（ＯＦＦ）よりも小さい。Ｖｒｅｆ２（ＯＦＦ）は、例えば、安全電圧よりも高く、且つ、モータ駆動装置１０１内のインバータ１１１の主回路部の耐電圧以下に設定されると好ましい。

これにより、衝突以外の異常では、短絡オン閾値と短絡オフ閾値が安全電圧よりも上がるので、巻線短絡期間が減少する（図１１参照）。よって、半導体スイッチング素子の発熱量を下げることができ、半導体スイッチング素子及びそれらの冷却装置に関して、小型化やコストダウンが可能となる。一方、衝突による異常では、短絡オン閾値及び短絡オフ閾値が安全電圧よりも下がるので、モータ駆動装置の構造的破壊による感電から乗員を守ることができる。

以上、モータ駆動装置を実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。

１：高圧電源
２：高圧電源用スイッチ
３：平滑コンデンサ
４，５：スイッチング素子
６：低圧電源
７：低圧電源用スイッチ
８：低圧側電源生成回路
９ａ：第１の制御回路
１２ａ：上アーム駆動回路
１２ｂ：下アーム駆動回路
１３：上アーム駆動回路用電源回路
１４高圧側電源生成回路
１６ａ，１６ｂ：制御信号伝送回路
１７，１８：異常信号伝送回路
２５：相電流検出部
２６：回転角度検出部
２７：第２の制御回路
２８：論理積ゲート
３０：第１の電圧検出回路
３１：第２の電圧検出回路
４０，５０速度検出部
４９異常検出部
７１：正極母線
７２：負極母線
１０１：モータ駆動装置
１１１：インバータ
１２１：制御装置
ＰＭ：モータ
Ｓ１，Ｓ３：異常検出信号

Claims

一対の直流母線の間に接続される上下アームによってモータを駆動するインバータと、
前記直流母線の間に生ずる直流母線電圧が第１の閾値に達したら前記上下アームのうち一方のアームをオンさせて前記モータの巻線を短絡させる短絡動作と、前記直流母線電圧が前記第１の閾値よりも低い第２の閾値に達したら前記短絡動作を解除する解除動作とを繰り返す制御回路と、
前記モータの速度を検出する速度検出部とを備え、
前記制御回路は、前記速度検出部により検出されたモータ速度に応じて、前記第１の閾値を補正する、モータ駆動装置。
前記制御回路は、前記モータ速度が大きい場合、前記モータ速度が小さい場合に比べて、前記第１の閾値を低下させる、請求項１に記載のモータ駆動装置。
前記制御回路は、異なる前記モータ速度で前記直流母線電圧の変動幅が等しくなるように、前記第１の閾値を補正する、請求項１又は２に記載のモータ駆動装置。
一対の直流母線の間に接続される上下アームによってモータを駆動するインバータと、
前記直流母線の間に生ずる直流母線電圧が第１の閾値に達したら前記上下アームのうち一方のアームをオンさせて前記モータの巻線を短絡させる短絡動作と、前記直流母線電圧が前記第１の閾値よりも低い第２の閾値に達したら前記短絡動作を解除する解除動作とを繰り返す制御回路と、
前記モータの速度を検出する速度検出部とを備え、
前記制御回路は、前記速度検出部により検出されたモータ速度に応じて、前記第１の閾値と前記第２の閾値との間のヒステリシスを補正する、モータ駆動装置。
前記制御回路は、前記モータ速度が大きい場合、前記モータ速度が小さい場合に比べて、前記ヒステリシスを小さくする、請求項４に記載のモータ駆動装置。
前記制御回路は、異なる前記モータ速度で前記直流母線電圧の変動幅が等しくなるように、前記ヒステリシスを補正する、請求項４又は５に記載のモータ駆動装置。
前記制御回路は、前記モータ速度に応じて前記第１の閾値を補正することによって、前記第１の閾値と前記第２の閾値との間のヒステリシスを補正する、請求項１から６のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
前記制御回路は、前記直流母線電圧が規定電圧を超えないように、前記モータ速度が大きい場合、前記モータ速度が小さい場合に比べて、前記規定電圧と前記第１の閾値との差を大きくする、請求項１から７のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
前記制御回路は、第１の電力供給源から供給される電力で動作する第１の制御回路と、前記第１の電力供給源とは異なる第２の電力供給源から供給される電力で動作する第２の制御回路とを含み、
前記第１の制御回路と前記第２の制御回路は、いずれも、前記短絡動作と前記解除動作の繰り返し制御を行う、請求項１から８のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
前記第２の電力供給源は、前記直流母線を電力供給源とする電源生成回路を含む、請求項９に記載のモータ駆動装置。
前記速度検出部は、前記第１の制御回路が前記繰り返し制御を行う場合、前記モータの回転角度を検出する回転角度検出部から出力される角度検出信号に基づいて、前記モータの速度を検出し、前記第２の制御回路が前記繰り返し制御を行う場合、前記一方のアームに流れるアーム電流を検出するアーム電流検出部から出力されるアーム電流検出信号に基づいて、前記モータの速度を検出する、請求項９又は１０に記載のモータ駆動装置。
前記速度検出部は、前記アーム電流検出信号の周期的変化に基づいて、前記モータの速度を検出する、請求項１１に記載のモータ駆動装置。
前記速度検出部は、前記第１の制御回路が前記繰り返し制御を行う場合において前記回転角度検出部の異常が検知されたとき、前記モータに流れる相電流を検出する相電流検出部から出力される相電流検出信号に基づいて、前記モータの速度を検出する、請求項１１又は１２に記載のモータ駆動装置。
前記速度検出部は、前記相電流検出信号の周期的変化に基づいて、前記モータの速度を検出する、請求項１３に記載のモータ駆動装置。
一対の直流母線の間に接続される上下アームによってモータを駆動するインバータと、
前記直流母線の間に生ずる直流母線電圧が第１の閾値に達したら前記上下アームのうち一方のアームをオンさせて前記モータの巻線を短絡させる短絡動作と、前記直流母線電圧が前記第１の閾値よりも低い第２の閾値に達したら前記短絡動作を解除する解除動作とを繰り返す制御回路と、
異常を検出する異常検出部とを備え、
前記制御回路は、前記異常検出部により異常が検出された場合、前記第１の閾値を補正する、モータ駆動装置。
前記制御回路は、前記異常検出部により検出された異常の違いに応じて異なる電圧値に、前記第１の閾値を変更する、請求項１５に記載のモータ駆動装置。
前記制御回路は、前記異常検出部により車両の衝突が検出された場合、前記第１の閾値を第１の電圧値に設定し、前記異常検出部により車両の衝突とは異なる異常が検出された場合、前記第１の閾値を前記第１の電圧値よりも高い第２の電圧値に設定する、請求項１６に記載のモータ駆動装置。