JP7371356B2 - モータ速度検出器及びインバータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ速度検出器及びインバータ装置に関する。

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とモータからなる電機システムにおいて、システムを構成する部品に何等かの不具合が生じた場合や衝突などの緊急時に、インバータを構成する半導体スイッチの動作を制御して、モータ巻線を短絡させる短絡モードに切り替える技術、インバータ主回路のコンデンサに蓄積された電荷を放電する技術が知られている。これら技術を実現する回路をフェイルセーフ回路と呼ぶ。このフェイルセーフ回路を搭載する目的は、システムを継続的な損傷から保護すると共に、電動車両の乗員の安全を確保することである。従って、フェイルセーフ回路の動作には高い信頼性が要求される。

電機システムでは、通常、例えば１２Ｖなどの低圧の電力供給減である第１電源から、フェイルセーフ回路を含むインバータ制御回路（例えば、モータ制御ＣＰＵやモータ回転速度、電流センサ等）への電源供給（電力供給）が行われる。この第１電源が故障等により喪失した場合、フェイルセーフ回路が動作不能となる。一方、フェイルセーフ回路は乗員の安全を確保する観点からフェイルセーフ回路が動作不能となる事象は避けなければならない。この要求に応えるべく、特許文献１には、第１電源とは異なる第２電源を設けて、第１電源と第２電源との何れかによるフェイルセーフ回路への電力供給を可能にする技術が開示されている。

フェイルセーフ技術のうちモータ巻き線を短絡させる技術がある。これを実現するためには、インバータ主回路を構成する上アーム又は下アームのスイッチング素子を全オンすることが必要となる。第１電源が喪失した場合にモータ巻き線を短絡する処理の流れは次のようになる。フェイルセーフ制御回路にて、モータ回転速度が高くインバータ主回路で許容される誘起電圧を超える場合、上アーム又は下アームのゲートオン信号を生成してモータ巻き線短絡を実施する。一方、低速度で牽引される場合はモータ巻線が短絡状態であると、回生トルクが発生して電動車両の牽引の妨げになるだけでなく、連続して短絡電流が生じるため発熱によりインバータ、モータなどの破損を招くおそれがある。このため、インバータ主回路で許容される誘起電圧以下ではモータ巻線短絡を解除することが必要となる。上述の動作をさせるためには、第１電源の電源が喪失した事象でもモータ回転速度を検出する必要がある。これは特許文献１に示した冗長化電源技術で実現可能である。

特開２０００－１４１８４号公報

しかしながら、モータ回転速度を検出するためには、レゾルバ励磁信号生成回路を備えると共に、当該回路からの励磁信号にて２次巻線に誘起される振幅変調された２つの交流信号から角度を求める必要がある。これを実現するには、当該機能が内蔵されたモータ制御用マイコンを適用する場合がある。すなわち、フェイルセーフ動作時に当該マイコンを含む制御回路に電力を供給しなければならない。このため、冗長電源容量が増加しこれを構成する電源回路のコスト及び大きさが増大する。また、前記マイコンが故障した場合も第１電源の喪失した事象と同様にフェイルセーフ動作を行う必要があるが、前記マイコンに内蔵する当該機能が喪失するとモータ速度を検出できなくなる。このため、機能安全を考える上で前記マイコンを含め冗長化するなどし、安全系を構成する必要がある。この結果、制御回路においても回路規模が増大しコスト、大きさが増大する。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成で信頼性を向上できるモータ速度検出器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、本発明に係るモータ速度検出器は、励磁コイルと前記励磁コイルに対する相互インダクタンスをもつ２次コイルとを具備し、前記相互インダクタンスがモータの回転角に応じて変化するモータ角度検出器の、前記励磁コイルに励磁電流を入力する励磁回路を備える。モータ速度検出器は、前記２次コイルに誘起される電圧の値を示す電圧検出値に基づき、前記モータの回転角度を表すモータ角度を演算する角度演算器を備える。モータ速度検出器は、所定の条件で前記励磁電流が交流から直流に切り替えられた状態で、前記２次コイルに誘起される電圧の周波数に基づき、前記モータの回転速度を表すモータ速度を演算する速度演算器を備える。

本発明によれば、簡易な構成で信頼性を向上できる、という効果を奏する。

本発明の実施の形態に係るモータ速度検出器１０を備えるインバータ装置１００の構成例を示す図 モータ速度検出器１０の構成例を示す図 速度演算器１７の構成例を示す図 速度演算器１７に入力される電圧（２次コイル出力電圧）の波形を示す図

以下に、本発明の実施の形態に係るモータ速度検出器及びインバータ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
図１は本発明の実施の形態に係るモータ速度検出器１０を備えるインバータ装置１００の構成例を示す図である。インバータ装置１００は、高圧（VH）バッテリである第２電源２００から供給される電力によってモータ３００を駆動するためのインバータ主回路１１０を備えた装置である。モータ３００は、例えば電動車両（電気自動車、ハイブリッド車、プラグインハイブリッド車など）に搭載される主電動機である。なおインバータ装置１００は、インバータ主回路１１０を備えたものであれば電動車両用のインバータに限定されず、例えば列車に搭載される主電動機を駆動する装置でもよい。

インバータ装置１００は、正極側直流母線２０及び負極側直流母線２１を介して、第２電源２００から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータ主回路１１０と、インバータ主回路１１０の動作を制御するインバータ制御回路１２０とを備える。正極側直流母線２０は、コンタクタ２４を介して第２電源２００の正極側に接続される。負極側直流母線２１は第２電源２００の負極側に接続される。

インバータ主回路１１０は、３相ブリッジ接続された複数のスイッチング素子１１１～１１６を備える。複数のスイッチング素子１１１～１１６は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などである。スイッチング素子１１１～１１３のそれぞれは、正極側直流母線２０を介して第２電源２００の正極側に接続されるハイサイドスイッチング素子（上アーム）である。スイッチング素子１１４～１１６のそれぞれは、負極側直流母線２１を介して第２電源２００の負極側に接続されるロウサイドスイッチング素子（上アーム）である。複数のスイッチング素子１１１～１１６は、それぞれ、ゲート駆動回路４から入力されるＰＷＭ信号（ゲート駆動信号）に従って、オン又はオフ状態となる。以下では、複数のスイッチング素子１１１～１１６を、特に区別しない場合には、単にスイッチング素子と称する場合がある。

モータ３００には、レゾルバであるモータ角度検出器４００が設けられる。モータ角度検出器４００は、励磁コイルである１次コイルと、励磁コイル４０１に対して相互インダクタンスをもつ複数の２次コイルとを備える。図１では、インバータ制御回路１２０とモータ角度検出器４００との関係を示すため、モータ角度検出器４００を拡大したものがインバータ制御回路１２０の内部に示される。励磁コイルに交流電圧が加えられると２次コイルに電圧が発生して、位相のずれた波形（２相の交流電圧：アナログ信号）が発生する。この波形はモータ３００の回転角度の検出に利用される。

インバータ制御回路１２０は、冗長電源回路５、例えば１２Ｖなどの低圧の第１電源１、モータ制御回路２、フェイルセーフ回路３、ゲート駆動回路４、及びモータ速度検出器１０を備える。

冗長電源回路５は、入力側が直流母線（正極側直流母線２０）に接続され、第２電源２００から供給される電力又は平滑コンデンサ２３に蓄えられた電力に基づき、フェイルセーフ回路３などを駆動するための非常用電源電圧ＶＥＭ（Voltage EMergency）を生成するバックアップ電源回路である。図１には冗長電源回路５からの電力が供給される範囲が「冗長電源供給範囲」として記される。非常用電源電圧ＶＥＭは、フェイルセーフ回路３、上アーム制御回路４１、下アーム制御回路４２、モータ速度検出器１０を構成するカウンタ６、モータ速度検出器１０を構成するコンパレータ１７ａなどに印加される。

モータ制御回路２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などのマイクロプロセッサで構成される。モータ制御回路２は、第１電源１を基準電位として、上位装置からのトルク指令値に基づき、モータ３００の回転を制御するためのＰＷＭ信号を生成する。ＰＷＭ信号には、上アームＰＷＭ信号及び下アームＰＷＭ信号が含まれる。

フェイルセーフ回路３は、第１電源１又は冗長電源回路５から供給される電力により動作し、上アームＰＷＭ信号及び下アームＰＷＭ信号を入力する。

ゲート駆動回路４は、上アーム制御回路４１及び下アーム制御回路４２を備える。上アーム制御回路４１は、第１電源１又は冗長電源回路５から供給される電力により動作し、上アームＰＷＭ信号を、スイッチング素子１１１～１１３を駆動可能な値の電圧の信号であるゲート駆動信号に変換して、スイッチング素子１１１～１１３に入力する。下アーム制御回路４２は、第１電源１又は冗長電源回路５から供給される電力により動作し、下アームＰＷＭ信号を、スイッチング素子１１４～１１６を駆動可能な値の電圧の信号であるゲート駆動信号に変換して、スイッチング素子１１４～１１６に入力する。

図２を用いてモータ速度検出器１０の構成例を説明する。図２はモータ速度検出器１０の構成例を示す図である。モータ速度検出器１０は、第１励磁回路３０、第２励磁回路３１、角度演算器１３、第１スイッチ群１４、速度演算器１７及び第２スイッチ群１８を備える。図２には、健全動作時に動作する回路と、フェイルセーフ動作時に動作する回路とがそれぞれ破線で囲まれている。健全動作時とは、第１電源１からの電圧がモータ制御回路２などに印加されているときである。フェイルセーフ動作時とは、第１電源１がなんらかの異常で停止し、冗長電源回路５からの電圧がフェイルセーフ回路３などに印加されているときである。

第１励磁回路３０は、交流励磁信号を発生する第１励磁信号源１１と、第１励磁信号源１１からの交流励磁信号を増幅してモータ角度検出器４００の励磁コイル４０１に第１励磁電流（交流電流）として入力するオペアンプ１２とを備える。

角度演算器１３は、励磁コイル４０１に対して相互インダクタンスをもつ２次コイル４０２に誘起される電圧の値を示す電圧検出値に基づき、モータの回転角度を表すモータ角度（θ＿ｄｅｔ）を演算する。

第１スイッチ群１４は、健全動作時にはオン状態であり、フェイルセーフ動作時にはオフ状態に変化する複数のスイッチを有する。健全動作時にこれらのスイッチがオン状態になることで、オペアンプ１２の出力が励磁コイル４０１に入力され、また２次コイル４０２に誘起される電圧が角度演算器に入力される。

第２励磁回路３１は、フェイルセーフ動作時に直流励磁信号を発生する第２励磁信号源１５と、直流励磁信号を増幅して励磁コイル４０１に第２励磁電流（直流電流）として入力するオペアンプ１６とを備える。

速度演算器１７は、所定の条件で励磁電流が第１励磁電流から第２励磁電流に切り替えられた状態で、２次コイル４０２に誘起される電圧の周波数又は当該電圧の振幅に基づき、モータ３００の回転速度を表すモータ速度を演算する。

第２スイッチ群１８は、第１スイッチ群１４と相補的に動作する複数のスイッチを有する。これらのスイッチは、健全動作時にはオフ状態であり、フェイルセーフ動作時にはオン状態に変化する。フェイルセーフ動作時にこれらのスイッチがオン状態になることで、オペアンプ１６の出力が励磁コイル４０１に入力され、また２次コイル４０２に誘起される電圧が速度演算器１７に入力される。

図３Ａ及び図３Ｂを用いて速度演算器１７の構成と動作を説明する。図３Ａは速度演算器１７の構成例を示す図である。図３Ｂは速度演算器１７に入力される電圧（２次コイル出力電圧）の波形を示す図である。

速度演算器１７のコンパレータ１７ａに入力される電圧ｖａ及びｖｂは、２次コイル４０２に誘起される電圧（２次誘起電圧）であり、図３Ｂには、コンパレータ１７ａの出力波形が示される。コンパレータ１７ａは２次誘起電圧のゼロクロス点を基準にした矩形波信号に変換する。２次誘起電圧の周波数はモータ速度に比例するため、この矩形波信号のＨｉ又はＬｏｗの時間幅をカウンタで計測することによってモータ速度を検出することができる。なお、２次誘起電圧の振幅はモータ速度に比例するため、速度演算器１７は、２次誘起電圧の振幅の値に基づきモータ速度を検出するように構成してもよい。

このように構成した場合、例えばモータ３００が高速で回転しているときに第１電源１に何らかの故障が発生した場合、フェイルセーフ回路３は、第１電源１の電圧が所定値以下に低下したことを検出すると、冗長電源回路５から供給される電力で動作を継続する。そしてフェイルセーフ回路３は、例えばモータ速度が所定の速度以上であるか所定の速度未満であるかを判断する。

モータ速度が所定の速度以上の場合、モータ３００が発生する誘起電圧がインバータ主回路１１０の耐圧を超えることを防止するため、フェイルセーフ回路３は、上アーム又は下アームを全てオン状態にするゲートオン信号を生成する。これにより、インバータ主回路１１０への電流の流入が抑制されてインバータ主回路１１０の破損を防止できる。

また、上アーム又は下アームを全てオン状態のときにモータ速度が低下して所定の速度未満となった場合、フェイルセーフ回路３は、上アーム又は下アームを全てオフ状態に制御する。電動車両が低速度で牽引されるような状況でモータ巻線が短絡状態、すなわち上アーム又は下アームを全てオン状態になっていると、回生トルクが発生して電動車両の牽引の妨げになるだけでなく、連続して短絡電流が生じるため発熱によりモータ３００などが破損するおそれがある。上アーム又は下アームを全てオフ状態に制御することで、このようなことを防止できる。

以上に説明したように本実施の形態に係るモータ速度検出器１０は、励磁コイル４０１と励磁コイル４０１に対する相互インダクタンスをもつ２次コイル４０２とを具備し、相互インダクタンスがモータの回転角に応じて変化するモータ角度検出器４００（レゾルバ）の、励磁コイル４０１に励磁電流を入力する励磁回路（第１励磁回路３０、第２励磁回路３１）を備える。またモータ速度検出器１０は、２次コイル４０２に誘起される電圧の値を示す電圧検出値に基づき、モータ３００の回転角度を表すモータ角度を演算する角度演算器１３を備える。またモータ速度検出器１０は、所定の条件で励磁電流が交流から直流に切り替えられた状態で、２次コイル４０２に誘起される電圧の周波数に基づきモータ速度を演算する速度演算器１７を備える。

この構成により、フェイルセーフ動作時に、モータ制御回路２を構成するマイクロコンピュータに電力を供給しなくともモータ速度を演算できるため、モータ制御回路２を含む全ての回路にバックアップ用電力が供給される場合に比べて、冗長電源回路５の定格容量を小さくすることができる。従って冗長電源回路５の製造コスト及び大きさが増大することを抑制できる。

また、モータ制御回路２とは別に、フェイルセーフ動作専用の機能（第２励磁回路３１、速度演算器１７など）を設けることによって、モータ制御回路２が故障した場合でも、第１電源１の喪失したときと同様にフェイルセーフ動作を行うことができる。

また、モータ制御回路２を冗長構成にした場合、回路規模が増大して製造コストや大きさが増大するだけでなく、モータ制御回路２の構成が複雑化することで信頼性の低下や製造時の歩留まり低下が懸念される。これに対して、本実施の形態によれば、既存のモータ制御回路２に改良を加える必要がないため、モータ制御回路２の改良に伴う設計工数の増加を抑制できると共に、モータ制御回路２の製造コストや大きさが増大することを抑制できる。またモータ制御回路２の信頼性が低下することも抑制できる。さらにインバータ制御回路１２０の設計の自由度が向上する。

また、本実施の形態に係るモータ速度検出器１０では、所定の条件で励磁電流が交流から直流に切り替えられるため、フェイルセーフ動作時は簡易な構成でモータ３００の回転速度を演算できる。従って、フェイルセーフ動作時の回路の演算処理が簡素化され、バックアップ用電源の消費電力を低減できる。従って、冗長電源回路５の容量を小さくでき、インバータ制御回路１２０の製造コストを低減できる。

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 ：第１電源
２ ：モータ制御回路
３ ：フェイルセーフ回路
４ ：ゲート駆動回路
５ ：冗長電源回路
６ ：カウンタ
１０ ：モータ速度検出器
１１ ：第１励磁信号源
１２ ：オペアンプ
１３ ：角度演算器
１４ ：第１スイッチ群
１５ ：第２励磁信号源
１６ ：オペアンプ
１７ ：速度演算器
１７ａ ：コンパレータ
１８ ：第２スイッチ群
２０ ：正極側直流母線
２１ ：負極側直流母線
２３ ：平滑コンデンサ
２４ ：コンタクタ
３０ ：第１励磁回路
３１ ：第２励磁回路
４１ ：上アーム制御回路
４２ ：下アーム制御回路
１００ ：インバータ装置
１１０ ：インバータ主回路
１１１ ：スイッチング素子
１１２ ：スイッチング素子
１１３ ：スイッチング素子
１１４ ：スイッチング素子
１１５ ：スイッチング素子
１１６ ：スイッチング素子
１２０ ：インバータ制御回路
２００ ：第２電源
３００ ：モータ
４００ ：モータ角度検出器
４０１ ：励磁コイル
４０２ ：２次コイル

Claims (5)

1. 励磁コイルと前記励磁コイルに対する相互インダクタンスをもつ２次コイルとを具備し、前記相互インダクタンスがモータの回転角に応じて変化するモータ角度検出器の、前記励磁コイルに励磁電流を入力する励磁回路と、
   前記２次コイルに誘起される電圧の値を示す電圧検出値に基づき、前記モータの回転角度を表すモータ角度を演算する角度演算器と、
   所定の条件で前記励磁電流が交流から直流に切り替えられた状態で、前記２次コイルに誘起される電圧の周波数に基づき、前記モータの回転速度を表すモータ速度を演算する速度演算器と、
   を備えるモータ速度検出器。
2. 前記速度演算器は、前記周波数に替えて、前記２次コイルに誘起される電圧の振幅値に基づき前記モータ速度を演算する請求項１に記載のモータ速度検出器。
3. 請求項１又は２に記載のモータ速度検出器を備えると共に、低圧の第１電源と前記第１電源より高圧の第２電源とを電力供給元とするインバータ装置であって、
   前記第２電源の電圧が印加される直流母線に接続される複数のスイッチング素子で構成される上下アームと、
   複数の前記スイッチング素子を駆動するゲート駆動回路と、
   前記第１電源を基準電位として上位装置からのトルク指令値に基づき複数の前記スイッチング素子を制御するオンオフ信号を生成して前記ゲート駆動回路に入力するモータ制御回路と、
   前記第１電源の喪失を含む所定条件が発生し、かつ、前記モータ速度が所定の速度以上のとき、上アーム又は下アームを全てオン状態にするフェイルセーフ回路と、
   を備えるインバータ装置。
4. 前記フェイルセーフ回路は、前記第１電源の喪失を含む所定条件が発生し、かつ、前記モータ速度が所定の速度未満のとき、上アーム又は下アームを全てオフ状態にする請求項３に記載のインバータ装置。
5. 励磁コイルと前記励磁コイルに対する相互インダクタンスをもつ２次コイルとを具備し、前記相互インダクタンスがモータの回転角に応じて変化するモータ角度検出器の、前記励磁コイルに励磁電流を入力する励磁回路と、
   前記２次コイルに誘起される電圧の値を示す電圧検出値に基づき、前記モータの回転角度を表すモータ角度を演算する角度演算器と、
   所定の条件で前記励磁電流が交流から直流に切り替えられた状態で、前記２次コイルに誘起される電圧の周波数に基づき、前記モータの回転速度を表すモータ速度を演算する速度演算器と、
   を備え、
   前記励磁回路は、前記励磁電流として交流電流である第１励磁電流を入力する第１励磁回路と、前記励磁電流として直流電流である第２励磁電流を入力する第２励磁回路と、を備え、
   前記速度演算器は、前記所定の条件で前記励磁電流が前記第１励磁電流から前記第２励磁電流に切り替えられた状態で、前記モータ速度を演算する、
   モータ速度検出器。

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