JP7395776B2

JP7395776B2 - インバータ制御装置

Info

Publication number: JP7395776B2
Application number: JP2022571066A
Authority: JP
Inventors: 史大高橋; 寛之竹本
Original assignee: Hitachi Astemo Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2020-12-25
Filing date: 2021-09-30
Publication date: 2023-12-11
Anticipated expiration: 2041-09-30
Also published as: WO2022137709A1; JPWO2022137709A1

Description

本発明は、インバータ制御装置に関する。

インバータを制御してモータを駆動させるインバータ制御装置では、インバータの故障時や装置の保護のため、出力指令値に基づくＰＷＭ信号の演算結果に関わらず、インバータに対してゲートオフや３相短絡等の保護動作を実施するものがある。この際に、インバータ制御を再開する場合は、実施している保護動作を解除する必要がある。しかし、インバータ制御装置は保護動作中であってもＰＷＭ信号を正常に出力しようとする制御演算を続けているため、保護動作の解除時には意図しないＰＷＭ信号がインバータに出力され、インバータにおいて過剰な出力電流が発生するようになっていた。この課題を解決するための技術が以下のように開示されている。

本願発明の背景技術として、下記の特許文献１が知られている。特許文献１では、インバータの制御部が、瞬低の発生を判定する系統状態判定部と、前記系統状態判定部の判定結果に応じて、インバータの出力を遮断するゲートブロックが行われるようにするゲートブロック部と、ゲートブロックが解除される際に、インバータの操作量の算出に関するパラメータを初期化する初期化処理部と、を有することで、保護動作が解除される前に出力指令を初期化処理し、インバータの操作量を適切に算出する技術について開示されている。

特開２０１３－０７８２０８号公報

しかしながら、特許文献１では保護動作中に出力指令値算出前の算出パラメータは初期化処理できるものの、出力指令値より後段の算出パラメータが正常値に戻る前に制御を再開する場合には、インバータに対するＰＷＭ信号のパルス幅（デューティ）が不適切に算出され、出力の異常を招く問題があった。以上を鑑みて本発明は、保護動作の解除時に意図しない過電流を防止できるインバータ制御装置を提供することが課題である。

本発明のインバータ制御装置は、インバータがモータへ印加する印加電圧を出力指令値に基づいて制御するインバータ制御装置であって、前記モータに流れるｄ軸電流およびｑ軸電流と前記出力指令値とに基づいて算出されるｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値の差分から、前記印加電圧に応じた電圧項を算出する電圧項演算部と、前記ｑ軸電流指令値のフィルタ値と、前記ｄ軸電圧指令値のフィルタ値とに基づいて、ｄ軸電圧値およびｑ軸電圧値の非干渉項をそれぞれ算出する非干渉項演算部と、を備え、前記印加電圧をオフにする際、前記非干渉項演算部は、前記ｄ軸電圧値の非干渉項および前記ｑ軸電圧値の非干渉項の少なくとも一方に、前記出力指令値が０である時の値をそれぞれ設定し、前記印加電圧をオフからオンにする際、前記非干渉項演算部は、前記ｄ軸電圧値の非干渉項および前記ｑ軸電圧値の非干渉項の少なくとも一方の演算を再開する。

本発明によれば、保護動作の解除時に意図しない過電流を防止できるインバータ制御装置を提供できる。

第１の実施形態に係る、インバータ回路の全体構成図。図１のＰＷＭ制御ロジックのブロック図。第１の実施形態に係る、保護動作時のフローチャート。モータ低回転の場合の保護動作解除時の出力波形。図４にＤ軸非干渉対策した保護動作解除時の出力波形。図４にＱ軸非干渉対策した保護動作解除時の出力波形。図４にＤＱ軸非干渉対策した保護動作解除時の出力波形。モータ高回転の場合の保護動作解除時の出力波形。図８にＤ軸非干渉対策した復帰時出力波形。図８にＱ軸非干渉対策した復帰時出力波形。図８にＤＱ軸非干渉対策した復帰時出力波形。第２の実施形態に係る、ＰＷＭ制御ロジックのブロック図。図１２の保護動作時のフローチャート。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。

図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

（本発明の第１の実施形態および構成）
図１は、第１の実施形態に係る、インバータ回路の全体構成図である。

インバータ装置１１０は、ＨＶＤＣ電源１０１とモータ１０２との間で電力を変換している。インバータ装置１１０は、３相の上下アーム回路で構成されスイッチング素子１０３からなるスイッチング素子部１０５（制御対象）と、電圧平滑用コンデンサ１０４と、異常検出部１０８と、を持つ。

インバータ制御部１０９は、ＰＷＭ制御ロジック部１０６と、保護動作決定部１０７と、を持つ。ＰＷＭ制御ロジック部１０６は、制御状態では上位装置（図示せず）から入力される出力指令値に基づき、出力ＰＷＭＤｕｔｙを算出し、それに応じたＰＷＭ信号を出力することで、インバータ装置１１０がモータ１０２へ印加する電圧を制御している。

異常検出部１０８は、インバータ装置１１０において過電圧や過電流等の異常が発生した場合に、これを検出する。異常検出部１０８が、インバータ装置１１０の異常を検出すると、異常検出部１０８からインバータ制御部１０９の保護動作決定部１０７へ異常検出信号が伝達される。この異常検出信号を受けると、保護動作決定部１０７は、インバータ装置１１０の異常に対応した保護動作を行うための保護動作指令を、インバータ装置１１０へ出力する。保護動作決定部１０７から保護動作指令を受けると、インバータ装置１１０は、ＰＷＭ制御ロジック部１０６から出力されるＰＷＭ信号よりも優先して、保護動作を実行する。この時、保護動作決定部１０７は、ＰＷＭ制御ロジック部１０６へリセット信号を伝達し、保護動作中の演算を停止させる。これにより、保護動作が解除された際に、意図したＰＷＭ信号を出力できる。保護動作中は、インバータ装置１１０は、制御状態から非制御状態になる。

なお、保護動作とは、異常が発生した際に装置全体を安全に停止させる動作であり、ゲートオフ(スイッチング素子オープン)や３相短絡のことである。ゲートオフの保護動作は、ソフトウェアのゲートＯＮ／ＯＦＦとハードウェア保護との両方の信号を合わせたゲートオフ信号から判定する。３相短絡の保護動作は、ハードウェアへ指令するＰＷＭ出力とゲートオフ信号がＯＦＦの場合、３相短絡と判定される。

図２は、図１のＰＷＭ制御ロジック部のブロック図である。

ＰＷＭ制御ロジック部１０６は、ｄｑ軸電流指令生成部２０１、ｄｑ軸電圧指令生成部２０２、ＰＷＭＤｕｔｙ設定部２０３から構成される。

出力指令値２０８は、外部から入力されるトルク指令値などである。この値に基づいてｄｑ軸電流指令生成部２０１において、ｄｑ軸電流指令が生成される。なお、ｄｑ軸電流指令生成部２０１には、トルク指令値の急変防止のためのフィルタが実装されていてもよい。

次に、ｄｑ軸電圧指令生成部２０２は、生成されたｄｑ軸電流指令と、モータに流れるｄｑ軸電流の検出結果をフィードバックしたフィードバック電流２０７と、の差分に基づいて、ｄｑ軸電圧比例項演算部２０４とｄｑ軸電圧積分項演算部２０５とで、インバータ装置からモータへの印加電圧に応じたｄｑ軸電圧の比例項と積分項の演算をそれぞれ実施する。

モータに流れるｄｑ軸電流について、例えばインバータ装置とモータとの間に電流センサを設け、この電流センサによって三相交流電流を検出し、検出された三相交流電流をモータの回転位置に基づいて変換することにより、ｄｑ軸電流を取得できる。一方、ｄｑ軸電圧非干渉項演算部２０６は、生成されたｄｑ軸電流指令とモータから検出したモータ回転数２０９と、に基づいて演算を実施する。

なお、ｄｑ軸非干渉項とは、ｄｑ軸間で互いに干渉しｄ軸電流とｑ軸電流とに影響を与える速度起電力を打ち消すためにある、フィードフォワード制御項である。ｄ軸電圧値の非干渉項は、ｑ軸電流指令値のフィルタ値に基づいて値が算出される。ｑ軸電圧値の非干渉項は、ｄ軸電流指令値のフィルタ値に基づいて値が算出される。それぞれの電流指令値のフィルタ値に基づいて非干渉項を算出することで、実電流の変化遅れが考慮されている。

ｄｑ軸電圧指令生成部２０２の出力は、ｄｑ軸電圧比例項演算部２０４と、ｄｑ軸電圧積分項演算部２０５と、ｄｑ軸電圧非干渉項演算部２０６と、の結果の合計値であり、ＰＷＭＤｕｔｙ設定部２０３においてＰＷＭＤｕｔｙに変換される。ＰＷＭ制御ロジック部１０６では、このＰＷＭＤｕｔｙに応じたＰＷＭ信号を生成し、インバータ装置へ出力する。

ここで、モータへ印加される電圧をオフにすることで、ゲートオフまたは３相短絡の保護動作を行った際は、保護動作決定部１０７（図１）からＰＷＭ制御ロジック部１０６へリセット信号が出力される。このリセット信号は、図２に示すように、ｄｑ軸電圧非干渉項演算部２０６にリセット信号２１０として入力される。リセット信号２１０が入力されると、ｄｑ軸電圧非干渉項演算部２０６は、それまでに算出した非干渉項の値をリセットする。このリセットとは、ｄ軸ｑ軸それぞれの電圧値の項(非干渉項)のフィルタを無効化して、初期値(トランジスタの動作点の出力指令値が０の時の非干渉項値)に設定することを示す。ただし、非干渉項の初期値は動作条件によっては０とならない。

図３は、第１の実施形態に係る、保護動作時のフローチャートである。

ステップＳ１で保護動作を実施する。ステップＳ２で、ＰＷＭ制御ロジック部１０６が保護動作決定部１０７からリセット信号受信（図１参照）後、非干渉項をリセットする。なお、保護動作中は、非干渉項のリセットを継続する。ステップＳ３で、保護動作からの解除をするかどうか判断する。解除するならば、ステップＳ４で非干渉項の演算を再開し、そうでなければ、ステップＳ２の非干渉項のリセットを継続する。ステップＳ４で非干渉項の演算を再開させることにより、意図したＰＷＭ出力を得ることができる。ステップＳ４の非干渉項での演算の再開後、インバータ装置は通常制御にもどり待機状態になる。

図４～図７は、保護動作解除時の出力波形を示す図である。図４は、モータ低回転の場合、図５は、モータ低回転時にＤ軸非干渉対策した場合、図６は、モータ低回転時にＱ軸非干渉対策した場合、図７は、モータ低回転時にＤＱ軸非干渉対策した場合、の保護動作解除時の出力波形である。なお、各値リセットのタイミングはゲートオフを認識して保護動作を解除した際に行われるものである。また、図５～図７に説明の図では、図４と同様の符号や波形については説明を省略している。

図４は、モータ低回転時にトルク指令をリセットしたときに、トルク、３相電流、ゲート状態、ＤＱ軸電圧指令、ＤＱ軸電圧積分項、ＤＱ軸電圧非干渉項、のそれぞれの状態を表したものである。ＤＱ軸電圧指令の波形にはＱ軸電圧指令２１６とＤ軸電圧指令２１７との様子が示されている。ＤＱ軸電圧積分項の波形にはＱ軸電圧積分項２１８とＤ軸電圧積分項２１９とが示されている。ＤＱ軸電圧非干渉項の波形には、Ｑ軸電圧非干渉項２２０とＤ軸電圧非干渉項２２１とが示されている。なお、電圧指令の波形（右上）は、比例項と積分項と非干渉項との合計によってできる波形である。

実トルク２１１は、ゲート状態（図４左下）において、ゲートオフ２１４から再びゲートがオンになるゲート復帰２１５のタイミングで、トルクの波形（図４左上）において、トルク指令リセット２１２によってトルクが０になり、徐々にトルクが復帰していく様子がわかる。

しかし、トルクおよび３相電流の波形には、ゲート復帰２１５の直後では実トルク２１１が制御できておらず、過電流による暴れ２１３が発生していることがわかる。これは、出力指令値をリセットしたが、内部パラメータの電圧指令が戻り切っていないことが原因で、トルク指令リセット２１２後のトルク復帰の際に、リセット前の内部パラメータに基づく電圧指令が出力されてしまうために起きる現象である。

図５は、図４のトルク指令リセット２１２に加えて、Ｄ軸電圧非干渉項リセット２２２をした場合の波形である。なお、Ｑ軸電圧非干渉項２２０は、暴れ対策なしの状態２２４である。

トルク波形および３相電流波形の暴れ対策効果２２５に示すように、ゲートオフ２１４からのゲート復帰２１５の時に、過電流による暴れが抑えられている。これは、電圧指令の大半を占めているＤ軸非干渉項２２１をリセットしたことで、出力指令値と電圧指令値の差分が小さくなったためである。

図６は、図４のトルク指令リセット２１２に加えて、Ｑ軸電圧非干渉項リセット２２３をした場合の波形である。なお、Ｄ軸電圧非干渉項２２１は、暴れ対策なしの状態２２４である。

トルク波形および３相電流波形の暴れ対策効果２２５に示すように、ゲートオフ２１４からのゲート復帰２１５の時に、過電流による暴れが小程度抑えられている。これは、電圧指令においてＱ軸非干渉項２２０をリセットしたことで、出力指令値と電圧指令値の差分が小さくなったためである。図５に示したＤ軸非干渉項リセット２２２と比較して、暴れ対策効果が小さい理由は、Ｑ軸非干渉項２２０がリセットされる量が、Ｄ軸非干渉項２２１がリセットされる量と比較して小さいためである。

図７は、図４のトルク指令リセット２１２に加えて、ＤＱ軸電圧非干渉項リセット２２６をした場合の波形である。

トルク波形および３相電流波形の暴れ対策効果２２５に示すように、ゲートオフ２１４からのゲート復帰２１５の時に、過電流による暴れが抑えられており、図５に示したトルク指令リセット２１２とＤ軸電圧非干渉項リセット２２２による暴れの抑制よりも、効果が高く出ていることがわかる。これは、電圧指令の大半を占めている非干渉項をリセットしたことで、出力指令値と電圧指令値の差分が小さくなったためであり、Ｄ軸電圧非干渉項２２１をリセットした効果とＱ軸電圧非干渉項２２０をリセットした効果が相乗されている。このように、トルク指令を０Ｎｍにして非干渉項フィルタを無効化することで、非干渉項のリセットを模擬している。

図８～図１１は、モータ高回転時の保護動作解除時の出力波形を示す図である。図８は、モータ高回転時にトルク指令リセットを行った場合、図９は、モータ高回転時にトルク指令リセットとＤ軸非干渉対策した場合、図１０は、モータ高回転時にトルク指令リセットとＱ軸非干渉対策した場合、図１１は、モータ高回転時にトルク指令リセットとＤＱ軸非干渉対策した場合、の保護動作解除時の出力波形である。

図４～７と図８～１１との違いは、モータが低回転時か高回転時かだけの違いである。そのため、図８は図４と、図９は図５と、図１０は図６と、図１１は図７とそれぞれ対応し、これらの組み合わせがそれぞれに同様の効果を示している。

（第２の実施形態）
図１２は、第２の実施形態に係る、ＰＷＭ制御ロジック部のブロック図である。

本実施形態に係るＰＷＭ制御ロジック部１０６Ａにおいて、第１の実施形態で説明した図２のＰＷＭ制御ロジック部１０６との違いは、保護動作決定部１０７から出力されたリセット信号２１０Ａが、ｄｑ軸電圧非干渉項演算部２０６に入力されるだけでなく、出力指令値２０８をリセットする点である。これにより、ＰＷＭ制御ロジック部１０６Ａは、ゲートオフまたは３相短絡の保護動作を行う際に、リセット信号２１０Ａに応じて出力指令値２０８を０にリセットするとともに、ｄｑ軸電圧非干渉項演算部２０６のフィルタを無効化する。

図１３は、図１２の保護動作時のフローチャートである。

図３のフローチャートとの違いは、非干渉項フィルタを無効（非干渉項をリセット）するだけでなく、出力指令値２０８として入力されたトルク指令をステップＳ８で０Ｎｍに設定することである。これにより、保護動作を解除して復帰したタイミングで、ステップＳ１０で非干渉項フィルタを有効（非干渉項の演算を再開する）にさせて、ステップＳ１１でトルク指令の受信を再開（復帰）させる。これにより第１の実施形態と同様の効果が得られる。

以上説明した本発明の第１の実施形態および第２の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

（１）インバータ制御部１０９は、インバータ装置１１０がモータ１０２へ印加する印加電圧を出力指令値に基づいて制御するものであって、モータ１０２に流れるｄ軸電流およびｑ軸電流と出力指令値とに基づいて算出されるｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値の差分から、印加電圧に応じたｄｑ軸電圧項を算出するｄｑ軸電圧比例項演算部２０４およびｄｑ軸電圧積分項演算部２０５と、ｑ軸電流指令値のフィルタ値と、ｄ軸電流指令値のフィルタ値とに基づいて、ｄ軸電圧値およびｑ軸電圧値の非干渉項をそれぞれ算出するｄｑ軸電圧非干渉項演算部２０６と、を備える。印加電圧をオフにする際、ｄｑ軸電圧非干渉項演算部２０６は、ｄ軸電圧値の非干渉項およびｑ軸電圧値の非干渉項の少なくとも一方に、出力指令値が０である時の値をそれぞれ設定し（図３ステップＳ２）、印加電圧をオフからオンにする際、ｄｑ軸電圧非干渉項演算部２０６は、ｄ軸電圧値の非干渉項およびｑ軸電圧値の非干渉項の少なくとも一方の演算を再開する（図３ステップＳ４）。このようにしたことで、保護動作の解除時に意図しない過電流を防止できるインバータ制御装置を提供できる。

（２）インバータ制御部１０９は、印加電圧をオフにする際、出力指令値（電圧値）を０とし（図１３ステップＳ８）、印加電圧をオフからオンにする際、出力指令値を０から有効値にする（図１３ステップＳ１１）。このようにしたことで、保護動作の解除時に意図しない過電流を防止できるインバータ制御装置を提供できる。

以上説明したが、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、削除・他の構成に置換・他の構成の追加をすることが可能であり、その態様も本発明の範囲内に含まれる。さらに、上述の実施形態と複数の変形例を組み合わせた構成としてもよい。

１０１・・・ＨＶＤＣ電源
１０２・・・モータ
１０３・・・スイッチング素子
１０４・・・コンデンサ
１０５・・・スイッチング素子部
１０６、１０６Ａ・・・ＰＷＭ制御ロジック部
１０７・・・保護動作決定部
１０８・・・異常検出部
１０９・・・インバータ制御部
１１０・・・インバータ装置
２０１・・・ｄｑ軸電流指令生成部
２０２・・・ｄｑ軸電圧指令生成部
２０３・・・ＰＷＭＤｕｔｙ設定部
２０４・・・ｄｑ軸電圧比例項演算部
２０５・・・ｄｑ軸電圧積分項演算部
２０６・・・ｄｑ軸電圧非干渉項演算部
２０７・・・フィードバック電流
２０８・・・出力指令値
２０９・・・モータ回転数
２１０、２１０Ａ・・・リセット信号
２１１・・・実トルク
２１２・・・トルク指令リセット
２１３・・・過電流による暴れ
２１４・・・ゲートオフ
２１５・・・ゲート復帰
２１６・・・Ｑ軸電圧指令
２１７・・・Ｄ軸電圧指令
２１８・・・Ｑ軸電圧積分項
２１９・・・Ｄ軸電圧積分項
２２０・・・Ｑ軸電圧非干渉項
２２１・・・Ｄ軸電圧非干渉項
２２２・・・Ｄ軸非干渉項リセット
２２３・・・Ｑ軸非干渉項リセット
２２４・・・暴れ対策なしの状態
２２５・・・暴れ対策効果
２２６・・・ＤＱ軸非干渉項リセット

Claims

インバータがモータへ印加する印加電圧を出力指令値に基づいて制御するインバータ制御装置であって、
前記モータに流れるｄ軸電流およびｑ軸電流と前記出力指令値とに基づいて算出されるｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値の差分から、前記印加電圧に応じた電圧項を算出する電圧項演算部と、
前記ｑ軸電流指令値のフィルタ値と、前記ｄ軸電流指令値のフィルタ値とに基づいて、ｄ軸電圧値およびｑ軸電圧値の非干渉項をそれぞれ算出する非干渉項演算部と、を備え、
前記印加電圧をオフにする際、前記非干渉項演算部は、前記ｄ軸電圧値の非干渉項および前記ｑ軸電圧値の非干渉項の少なくとも一方に、前記出力指令値が０である時の値をそれぞれ設定し、
前記印加電圧をオフからオンにする際、前記非干渉項演算部は、前記ｄ軸電圧値の非干渉項および前記ｑ軸電圧値の非干渉項の少なくとも一方の演算を再開する
インバータ制御装置。
請求項１に記載のインバータ制御装置であって、
前記印加電圧をオフにする際、前記出力指令値を０とし、
前記印加電圧をオフからオンにする際、前記出力指令値を０から有効値にする
インバータ制御装置。