JP7407969B2 - 電力供給制御装置 - Google Patents

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Description

この技術は、電力供給制御装置に係るものである。特に、電力供給対象などに異常が発生したときの信号遮断による電力供給制御に関するものである。
電力供給対象となる電動機などに対して、電力を制御して供給する電力供給制御装置がある。このような装置は、電動機の暴走などの異常が発生すると、安全上の観点から、電力供給対象となる機器を確実に停止させる必要がある。電力供給制御装置は、機器を停止させる際、インバータ装置などの電力変換装置に送る駆動信号を遮断して、機器への電力供給を停止させる。
ここで、三ステートバッファなどを用いて、外部から送られた安全停止指令によってゲート駆動信号を遮断する安全停止回路を構成し、ソフトウェアの実行ではなく、ハードウェアによって駆動信号を遮断する方法がある(たとえば、特許文献1参照)。
国際公開第2008/132975号
特許文献1に開示された安全停止回路では、安全停止指令を出力するために外部電力遮断用端子が設けられている。ここで、外部電力遮断用端子を開閉する手段などについては、明記されていない。たとえば、手動によって外部電力遮断用端子を開閉して電力を遮断する場合は、機能安全規格を満足しない可能性がある。また、外部電力遮断用端子を電気的に開閉する場合は、装置の外部に、外部電力遮断用端子の開閉を操作する信号を出力する回路を設ける必要がある。このような外部電力遮断用端子の開閉を操作するための信号を出力する回路の構成についても、場合によっては、機能安全規格を満足しない可能性がある。
さらに、上述した特許文献1における安全停止装置は、ラッチ回路を用いて、安全状態を維持する構成になっている。しかし、ラッチ回路におけるラッチ状態の解除を、制御装置などがソフトウェアを実行することで行う場合、機能安全規格上は、ソフトウェアを介した保護を行っているとみなされる可能性がある。
そこで、上記のような課題を解決するため、ゲート駆動信号の遮断後に、ソフトウェアの実行によらずに、駆動信号の遮断を正常状態に復帰させることができる電力供給制御装置を提供することを目的とするものである。
この開示に係る電力供給制御装置は、電力変換を行って、供給対象に電力を供給する電力変換装置と、電力変換装置の動作を制御する制御装置と、供給対象に流れる電流を検出する電流検出装置と、電流検出装置が検出した電流による電流検出値が予め決められた設定電流閾値より大きくなると出力の論理が反転する遮断開始信号を出力する比較装置と、遮断制御信号に基づいて、制御装置が電力変換装置に出力する変換動作信号を遮断する遮断装置と、比較装置が出力する遮断開始信号に基づいて遮断制御信号を出力し、ラッチ解除信号が入力されるまで、遮断装置に変換動作信号を遮断している状態を維持させるラッチ動作を行うラッチ装置と、ラッチ装置がラッチ動作を開始してから、構成素子によって決まる遅延時間が経過すると、ラッチ解除信号を出力する遅延装置とを備え、制御装置は、供給対象および電力変換装置の少なくとも一方が異常な挙動を示したものと判定すると、変換動作信号の出力を停止し、変換動作信号の出力を停止状態に維持する信号出力停止時間は、制御装置が実行するソフトウェアによって設定される時間であり、ラッチ装置がラッチ動作を開始してからラッチ解除信号が出力されるまでの時間以上の時間であるものである。
この開示によれば、供給対象に流れる電流から遮断開始信号を出力する比較装置、遮断制御信号を出力するラッチ装置および制御装置からの変換動作信号を遮断する遮断装置およびラッチ解除信号を出力する遅延装置を、ハードウェアによる素子で構成した。そして、遅延装置がラッチ解除信号を出力する遅延時間が、遅延装置が構成する素子によって遅延時間の設定が決まるようにした。このため、ソフトウェアによらずに、ハードウェア構成により、ラッチ動作を解除して、電力供給を正常状態に復帰させることができる。
実施の形態1における電動機制御装置1を中心とする電動システムの一構成例を示すブロック図である。 実施の形態1における電力変換装置2がインバータ回路を有する場合の一構成例を示す図である。 遮断装置7における論理の一例である。 ラッチ装置9における論理の一例である。 遅延装置10の一構成例を示す図である。 実施の形態1に係る電動機制御装置1において、過電流発生時のゲート遮断動作に関わる信号変化を示すタイムチャートを表す図である。 実施の形態2における電動機制御装置1を中心とする電動システムの一構成例を示すブロック図である。 実施の形態2に係る電動機制御装置1において、U相に過電流が発生した際のゲート遮断動作に関わる信号変化を示すタイムチャートを表す図である。 実施の形態3における電動機制御装置1を中心とする電動システムの一構成例を示すブロック図である。 ラッチ装置24の一構成例を示す図である。 実施の形態3に係る電動機制御装置1において、過電流発生時のゲート遮断動作に関わる信号変化を示すタイムチャートを表す図である。 本実施の形態4における電動機制御装置1を中心とする電動システムの一構成例を示すブロック図である。 実施の形態4に係る電動機制御装置1において、過電流発生時のゲート遮断動作に関わる信号変化を示すタイムチャートを表す図である。 実施の形態6における電動機制御装置1を中心とする電動システムの一構成例を示すブロック図である。 温度判定装置37の一構成例を示す図である。 温度判定装置37の論理の一例を示す図である。 実施の形態6に係る電動機制御装置1において、過電流発生時のゲート遮断動作に関わる信号変化を示すタイムチャートを表す図である。 実施の形態7における電動機制御装置1を中心とする電動システムの一構成例を示すブロック図である。 温度比較装置40の一構成例を示す図である。 温度比較装置40の入出力特性の一例を示す図である。 実施の形態7に係る電動機制御装置1において、過電流発生時のゲート遮断動作に関わる信号変化を示すタイムチャートを表す図である。
以下、実施の形態に係る電動機制御装置について、図面などを参照しながら説明する。以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、以下に記載する実施の形態の全文において共通することとする。また、図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。そして、明細書全文に表わされている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、明細書に記載された形態に限定するものではない。特に構成要素の組み合わせは、各実施の形態における組み合わせのみに限定するものではなく、他の実施の形態に記載した構成要素を別の実施の形態に適用することができる。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1における電動機制御装置1を中心とする電動システムの一構成例を示すブロック図である。本実施の形態1において電力供給装置となる電動機制御装置1について説明する。
電動機制御装置1は、電力供給対象となる電動機3の電力供給を制御し、駆動制御を行う装置である。ここで、本実施の形態1における電動機3は、三相モータであるものとする。本実施の形態1の電動機制御装置1は、電力変換装置2、制御装置6、電流検出装置4、比較装置8、遮断装置7、ラッチ装置9および遅延装置10を有する。電力変換装置2は、電源5に接続される。制御装置6は、電力変換装置2の変換動作を制御し、電動機3の駆動制御を行う。電流検出装置4は、電流検出器4aが設置された箇所の電流を検出して、制御装置6に送る。比較装置8は、予め決められた電流閾値と電流検出装置4で検出した電流による電流検出値とを比較し、比較に基づく遮断開始信号の出力を行う。遮断装置7は、制御装置6が電力変換装置2に変換動作をさせる際に出力する変換動作信号を遮断する遮断動作を行う。ラッチ装置9は、遮断開始信号が入力されてからラッチ解除信号が入力されるまで、遮断装置7による遮断動作を維持するラッチ動作を行う。遅延装置10は、ラッチ装置9がラッチ動作を開始してから、ハードウェアとなる構成素子によって決まる遅延時間が経過すると、ラッチ解除信号を出力する。これらの装置などについて、さらに詳細に説明する。
電源5は、電力変換装置2を介して、電動機3に電力を供給する直流電圧電源である。本実施の形態1においては、電源5が直流電圧電源の場合で説明する。ここで、電源5は、外部に設けられた単相電源(図示せず)または三相電源(図示せず)のような交流電圧電源からの交流電圧を整流回路(図示せず)などにより、直流電圧に変換して、電力変換装置2に供給するものであってもよい。また、図1では、電動機制御装置1が電源5を有するものとしているが、これに限定するものではない。電源5は、外部の電源装置であってもよい。
図2は、実施の形態1における電力変換装置2がインバータ回路を有する場合の一構成例を示す図である。電力変換装置2は、後述する制御装置6から送られる変換動作信号に基づき、直流電圧を交流電圧に変換することで、電動機3への電力供給を制御する装置である。インバータ回路は、パワーモジュール2aを有する。パワーモジュール2aは、電力変換などを行う素子を、筐体(モジュール)内に収納し、パッケージ化したものである。インバータ回路が三相出力インバータの場合には、パワーモジュール2aは、IGBTなどの電力用半導体素子であるスイッチング素子とダイオードとが並列に接続されて構成されたアームを、6個収納している。本実施の形態1のパワーモジュール2aでは、2つのアームが対になっており、各相に合わせて三対のアームを有している。各アームが有する複数のスイッチング素子は、後述する制御装置6が出力する変換動作信号に基づいて駆動し、所定のタイミングで、オンまたはオフするスイッチング動作を行う。
制御装置6は、電動機3を制御して駆動させるのに必要な制御量を演算する。制御量は、たとえば、電力変換装置2の出力側における電圧指令値である。そして、制御装置6は、制御量に基づく電力供給を電動機3に行うような変換動作をさせる変換動作信号を、電力変換装置2に出力する。ここで、本実施の形態1の電力変換装置2は、パワーモジュール2aが収納するスイッチング素子のゲートにゲート駆動信号が送られ、スイッチング素子が駆動して変換動作を行う。そこで、以下では、ゲート駆動信号が、変換動作信号であるものとして説明する。制御装置6は、ハードウェアとしては、たとえば、CPU(Central Processing Unit)などの制御演算処理装置、アナログ回路、デジタル回路などを有するマイクロコンピュータなどの装置で構成される。
電流検出装置4は、電動機3に流れる三相電流Iuvwを検出する。図1に示す構成では、電流検出装置4は、電流検出器4aを有する。電流検出器4aは、たとえば、カレントトランスである。ここでは、U相に流れる電流を検出する電流検出器4aについて説明する。
ここで、制御装置6がデータとして制御に利用する電流を検出する位置は、図1に示す位置の場合に限らない。電流検出装置4を設ける代わりに、シャント抵抗を用いた電流検出部を、電力変換装置2に設けて、電流検出を行ってもよい。また、電流検出装置4が電流を検出する相が、図1に示す相の場合に限らない。たとえば、他の相の電流を電流検出器4aが検出してもよい。また、U相およびW相の電流を検出し、図2に示す直流ラインに流れる電流を、電力変換装置2に設けた電流検出部で検出する構成としてもよい。
比較装置8は、設定電流閾値と電流検出装置4で検出した電流による電流検出値との比較により、遮断開始信号となる信号を出力する。遮断開始信号は、電流検出装置4で検出した電流の電流検出値と電流閾値との大小関係により、論理が反転する信号である。本実施の形態1では、比較装置8が出力する遮断開始信号は、電流検出値が電流閾値より大きいときにハイレベルとなる正論理の信号とするが、負論理の信号であってもよい。比較装置8は、たとえば、コンパレータである。コンパレータは、設定電流閾値となる電圧と電流検出装置4で検出した電流に係る電圧との比較を行う。
設定電流閾値は、たとえば、制御装置6および比較装置8の駆動用に供給される電力において、抵抗により分圧した電圧を用いる。分圧を行うための分圧抵抗は、ゲート駆動信号を遮断したいときの電流値に相当する電流が流れた場合に、電流検出装置4が検出した電流にかかる電圧が電流閾値となるように選定される。
ここで、安全上の信頼性を向上させるために、異なる箇所の電圧を、各電流に対する電流閾値としてもよい。各電流に対する電流閾値の設計値を等しくする場合、理論的に同じ電圧となる異なる箇所の電圧を各電流に対する電流閾値とすることで、信頼性の向上が期待できる。理論的に同じ電圧となる異なる箇所の電圧は、たとえば、同一の電源により印加される電圧を、抵抗値の等しい異なる個体の抵抗を用いて分圧した電圧である。
図3は、遮断装置7における論理の一例である。遮断装置7は、遮断装置7に入力される遮断制御信号に応じて、ゲート駆動信号を遮断する装置である。遮断装置7は、たとえば、三ステートバッファである。図3に示すように、三ステートバッファである遮断装置7は、図1に示す制御端子7aおよび制御端子7bに入力される遮断制御信号の少なくとも一方がハイレベルであれば、出力がハイインピーダンス状態となる。出力がハイインピーダンス状態になることで、ゲート駆動信号が電力変換装置2に入力されず、遮断される。
ここで、本実施の形態1では、遮断装置7が、遮断制御信号がハイレベルの場合にゲート駆動信号を遮断する遮断動作を行うものとして説明するが、遮断制御信号がローレベルの場合に遮断動作を行ってもよい。
図4は、ラッチ装置9における論理の一例である。ラッチ装置9は、たとえば、フリップフロップである。本実施の形態1のラッチ装置9は、遮断開始信号が入力されると、出力の論理を反転させ、遮断開始信号が入力されなくなった後も出力の論理を維持する。ラッチ装置9は、遮断開始信号が入力された後、ラッチ解除信号が入力されると、出力の論理を再び反転させ、遮断開始信号が入力される前の出力状態となる。
ここで、本実施の形態1では、ラッチ解除信号は、正論理の信号とするが、負論理の信号であってもよい。また、本実施の形態1のラッチ装置9は、遮断開始信号が入力されると、出力をローレベルからハイレベルに切り替える装置とするが、これに限定するものではない。たとえば、遮断開始信号が入力されると、出力をハイレベルからローレベルに切り替える装置であってもよい。
図5は、遅延装置10の一構成例を示す図である。遅延装置10は、ラッチ装置9がラッチ動作を開始する遮断制御信号が入力されてから、設定によって決められた遅延時間が経過すると、ラッチ装置9のラッチ動作を解除するラッチ解除信号を出力する。本実施の形態1では、ラッチ装置9の出力となる遮断制御信号が、遅延装置10が動作を開始するトリガとなる。図5に示す遅延装置10は、信号がハイレベルとなると、NチャネルMOSFET16がオン状態となり、コンデンサ15の充電が開始される。その後、コンデンサ15の電圧が上昇すると、コンパレータ18の出力がハイレベルになり、ラッチ解除信号が出力される。コンデンサ15の充電に要する時間は、コンデンサ15の静電容量と抵抗11の抵抗値で決まり、コンデンサ15の充電に要する時間を利用して、遮断制御信号が入力されてからラッチ解除信号が出力されるまでの遅延を実現する。図5に示す遅延装置10において、抵抗12、抵抗13および抵抗14の抵抗値を同じ大きさとする。このとき、遮断制御信号が入力されてから、ラッチ解除信号が出力されるまでの遅延時間は、おおよそ、1.1×コンデンサ15の静電容量×抵抗11の抵抗値[sec]となる。このように、遅延時間は、ハードウェアとして用いる素子により設定が決まる。遮断制御信号が入力されなくなると、PチャネルMOSFET17がオン状態となり、PチャネルMOSFET17を経由して、コンデンサ15が放電される。コンデンサ15が放電されると、コンパレータ18の出力がローレベルになり、ラッチ解除信号の出力が停止する。
遅延装置10における遅延時間は、たとえば、過電流による温度上昇からの保護対象となる電動機3の保護を行うため、過電流によって上昇した電動機3の温度が、適切な温度まで低下するのに必要な電動機3の運転休止時間に設定する。運転休止時間は、たとえば、電動機3に過電流を流し、電力変換装置2のスイッチング素子のゲートを遮断させる動作を、一定の時間間隔で繰り返し行った場合に、電動機3の温度が規格値未満の温度で飽和することを保証できる時間間隔を実験的に求め、決定する。ここでは、電力供給対象の電動機3が保護対象となっているが、異なっていてもよい。
図6は、実施の形態1に係る電動機制御装置1において、過電流発生時のゲート遮断動作に関わる信号変化を示すタイムチャートを表す図である。次に、本実施の形態1に係る電動機制御装置1の動作について説明する。
過電流が発生し、電流検出装置4で検出した電流値が電流閾値より大きくなると、比較装置8が遮断開始信号を出力する(図6のA1)。遮断開始信号が出力されると、ラッチ装置9の出力が、ローレベルからハイレベルに切り替わる(図6のB1)。遮断装置7の遮断制御信号として使用しているラッチ装置9の出力がハイレベルになると、遮断装置7の出力がハイインピーダンス状態となる(図6のC1)。遮断装置7の出力がハイインピーダンス状態となることにより、電力変換装置2が停止する(図6のD1)。その後、電流検出装置4で検出した電流値が電流閾値より小さくなり、遮断開始信号の出力が停止する(図6のE1)。遮断開始信号の出力が停止しても、ラッチ装置9は出力の論理をハイレベルで維持する(図6のF1)。遅延装置10の開始信号であるラッチ装置9の出力がハイレベルになってから遅延装置10で設定した時間が経過すると、遅延装置10の出力がハイレベルに切り替わる(図6のG1)。ラッチ装置9のラッチ解除信号として使用している遅延装置10の出力がハイレベルになると、ラッチ装置9の出力がローレベルに切り替わる(図6のH1)。ラッチ装置9の出力がローレベルになると、遮断装置7の出力がハイインピーダンス状態ではなくなるため、遮断装置7の出力はゲート駆動信号に応じてローレベルまたはハイレベルとなる(図6のI1)。遮断装置7の出力がハイインピーダンス状態ではなくなることにより、電力変換装置2が動作する(図6のJ1)。ラッチ装置9の出力がローレベルになると、遅延装置10の出力がローレベルになる(図6のK1)。
図6では、ラッチ装置9の出力がハイレベルとなっている期間である、遮断装置7が遮断動作を行っている期間において、制御装置6はゲート駆動信号を出力し続けているが、これに限定するものではない。ラッチ装置9の出力がハイレベルになると、制御装置6は、ゲート駆動信号の出力を停止してもよい。
次に、本実施の形態1の作用および効果について説明する。本実施の形態1の電動機制御装置1によれば、電動機3に流れる三相電流Iuvwをトリガとして、ゲート駆動信号を遮断することができる。このため、電動機3の過剰発熱を防止することができる。電動機3に流れる三相電流Iuvwを用いることにより、ゲート遮断を行うために必要な回路を電動機制御装置1の外部に設ける必要がなく、回路構成を比較的簡素化することができる。また、本実施の形態1の電動機制御装置1では、ゲート遮断を行うと、ゲート駆動信号の遮断状態を維持し、ソフトウェアを介さずに、ハードウェアを動作させることで、ゲート駆動信号遮断状態からゲート駆動信号通過状態へ遷移させることができる。ゲート駆動信号遮断状態からゲート駆動信号通過状態への遷移を、ハードウェアの動作で実現することで、制御装置6の暴走などにより、ソフトウェアの処理が意図したタイミングで行われずに想定よりも早い時間でゲート駆動信号遮断状態からゲート駆動信号通過状態へ遷移するなどの危険な動作が生じることを防ぐことができる。また、遅延時間が、過電流によって上昇した電動機3の温度が適切な温度まで低下するのに必要な電動機3の運転休止時間となるように設定する。このため、過電流発生後において、制御装置6がゲート駆動信号の出力を停止せず、一定の時間間隔で繰り返し過電流が流れる場合においても、電動機3を冷却することができる。したがって、電動機3の過剰発熱を防止することができる。そして、本実施の形態1の電動機制御装置1では、異常発生における電動機3の停止に関する一連の動作を、ソフトウェアを介さずにハードウェアの動作を実現することで行うことができる。このため、機能安全規格上、ソフトウェアを介した保護を行っているとみなされず、ソフトウェア規格適合が不要となる。
実施の形態2.
図7は、実施の形態2における電動機制御装置1を中心とする電動システムの一構成例を示すブロック図である。実施の形態2の電動機制御装置1は、電流検出装置4、比較装置8、ラッチ装置9および遅延装置10の組み合わせに加え、さらに、電流検出装置19、比較装置21、ラッチ装置22および遅延装置23の組み合わせを有する点が異なる。また、実施の形態2の電動機制御装置1は、遮断装置20を有する点が異なる。ここでは、遮断装置7と同じ構成の遮断装置20とするが、これに限定するものではない。たとえば、一方の装置が反転バッファで、もう一方の装置が非反転バッファの構成であってもよい。そして、制御装置6と電力変換装置2との間の信号路に設置された遮断装置7および遮断装置20のいずれか一方が遮断動作を行うことで、ゲート駆動信号が遮断される構成である。本実施の形態2においては、実施の形態1で説明した構成と同一の構成には、同一の符号を付す。
本実施の形態2の電動機制御装置1の構成を説明する。ここでは、実施の形態1と異なる点について説明する。電流検出装置4は、実施の形態1と同様にU相の電流を検出する。一方、本実施の形態2の電流検出装置19は、W相の電流を検出する。ここで、本実施の形態2の実施の形態1と同様に電流を検出する位置は、図7に示す位置の場合に限らない。
電流検出装置4の出力は、比較装置8に入力され、電流検出装置19の出力は、比較装置21に入力される。比較装置8の出力は、ラッチ装置9と遅延装置10に入力され、比較装置21の出力は、ラッチ装置22と遅延装置23とに入力される。遅延装置10の出力は、ラッチ装置9に入力され、遅延装置23の出力は、ラッチ装置22に入力される。ラッチ装置9の出力は、遮断装置7と遮断装置20とに入力され、ラッチ装置22の出力は、遮断装置7と遮断装置20に入力される。ここで、ラッチ装置9およびラッチ装置22の接続先は、図7に示す位置の場合に限らない。たとえば、ラッチ装置9の出力が遮断装置7に入力するようにし、ラッチ装置22の出力が遮断装置20に入力するようにしてもよい。
図8は、実施の形態2に係る電動機制御装置1において、U相に過電流が発生した際のゲート遮断動作に関わる信号変化を示すタイムチャートを表す図である。次に、本実施の形態2に係る電動機制御装置1の動作を説明する。
U相に過電流が発生し、電流検出装置4で検出した電流値が電流閾値より大きくなると、比較装置8が遮断開始信号を出力する(図8のA2)。遮断開始信号が出力されると、ラッチ装置9の出力がローレベルからハイレベルに切り替わる(図8のB2)。遮断装置7の遮断制御信号と遮断装置20の遮断制御信号として使用しているラッチ装置9の出力がハイレベルになると、遮断装置7の出力と遮断装置20の出力とがハイインピーダンス状態となる(図8のC2)。遮断装置7の出力と遮断装置20の出力とがハイインピーダンス状態となることにより、電力変換装置2が停止する(図8のD2)。その後、電流検出装置4で検出した電流値が電流閾値より小さくなり、遮断開始信号の出力が停止する(図8のE2)。ただ、遮断開始信号の出力が停止しても、ラッチ装置9は、出力の論理をハイレベルで維持する(図8のF2)。遅延装置10の開始信号であるラッチ装置9の出力がハイレベルになってから遅延装置10で設定した遅延時間が経過すると、遅延装置10の出力がハイレベルに切り替わる(図8のG2)。ラッチ装置9のラッチ解除信号として使用している遅延装置10の出力がハイレベルになると、ラッチ装置9の出力がローレベルに切り替わる(図8のH2)。ラッチ装置9の出力である遮断制御信号がローレベルになると、遮断装置7の出力と遮断装置20の出力とがハイインピーダンス状態ではなくなる。このため、遮断装置7の出力と遮断装置20の出力とは、ゲート駆動信号に応じて、ローレベルまたはハイレベルとなる(図8のI2)。遮断装置7と遮断装置20の出力がハイインピーダンス状態ではなくなることにより、ゲート駆動信号が電力変換装置2に入力し、電力変換装置2が動作する(図8のJ2)。また、ラッチ装置9の出力がローレベルになると、遅延装置10の出力がローレベルになる(図8のK2)。
W相に過電流が発生したときの遮断に関するタイムチャートは、図8に示すタイムチャートにおいて、U相電流をW相電流に、比較装置8を比較装置21に、ラッチ装置9をラッチ装置22に、遅延装置10を遅延装置23に置換したものになる。
本実施の形態2の作用および効果を説明する。本実施の形態2に係る電動機制御装置1は、電流検出装置4、比較装置8、遮断装置7、ラッチ装置9および遅延装置10の組による組み合わせを、複数設けることにより、保護に係る装置を冗長化することができる。このため、システムにおける安全上の信頼性が向上する。
実施の形態3.
本実施の形態3の電動機制御装置1は、実施の形態1の電動機制御装置1と比較すると、ラッチ装置9が実施の形態1で説明した遅延装置10の機能を包含している点が異なる。本実施の形態3においては、実施の形態1で説明した構成と同一の構成に同一の符号を付す。
図9は、実施の形態3における電動機制御装置1を中心とする電動システムの一構成例を示すブロック図である。本実施の形態3の電動機制御装置1の構成を説明する。本実施の形態3では、実施の形態1と異なる点を説明する。本実施の形態3の電動機制御装置1は、ラッチ装置24を有する点で、実施の形態1の電動機制御装置1とは異なる。
図10は、ラッチ装置24の一構成例を示す図である。図10に示すラッチ装置24は、タイマIC装置50、抵抗35、コンデンサ31およびNOTゲート26を用いて構成されている。図10の破線部で表されるタイマIC装置50は、入力された信号の時間を遅延させて出力する装置である。タイマIC装置50は、フリップフロップ25、NOTゲート27、コンパレータ28、コンパレータ29、NチャネルMOSFET30、抵抗32、抵抗33および抵抗34の機能を組み合わせて構成される回路である。
図10に示すラッチ装置24は、遮断開始信号が入力されると、コンパレータ29の出力がハイレベルになり、フリップフロップ25の出力がローレベルとなる。フリップフロップ25の出力がローレベルとなると、フリップフロップ25の後段のNOTゲート27により、ラッチ装置24の出力がハイレベルとなる。フリップフロップ25の作用により、遮断開始信号が入力されなくなった後も、出力の論理を維持する。フリップフロップ25の出力がローレベルとなると、NチャネルMOSFET30がオフ状態になり、コンデンサ31の充電が開始される。その後、コンデンサ31の電圧が上昇すると、コンパレータ28の出力がハイレベルになり、フリップフロップ25の出力がハイレベルとなる。フリップフロップ25の出力がハイレベルとなると、フリップフロップ25の後段のNOTゲート27により、ラッチ装置24の出力がローレベルとなる。フリップフロップ25の出力がハイレベルとなると、NチャネルMOSFET30がオン状態になり、NチャネルMOSFET30を経由してコンデンサ31が放電される。コンデンサ31の充電に要する時間は、コンデンサ31の静電容量と抵抗35の抵抗値とで決まる。コンデンサ31の充電に要する時間によって、ラッチ装置24の出力がハイレベルを維持する時間が決定される。図10に示すラッチ装置24において、抵抗32、抵抗33および抵抗34の抵抗値が同じ大きさであるものとすると、ラッチ装置24の出力がハイレベルを維持する時間は、おおよそ1.1×コンデンサ容量×抵抗35の抵抗値[sec]となる。
図11は、実施の形態3に係る電動機制御装置1において、過電流発生時のゲート遮断動作に関わる信号変化を示すタイムチャートを表す図である。次に、本実施の形態3に係る電動機制御装置1の動作を説明する。
過電流が発生し、電流検出装置4で検出した電流検出値が電流閾値より大きくなると、比較装置8が遮断開始信号を出力する(図11のA3)。遮断開始信号が出力されると、ラッチ装置24の出力がローレベルからハイレベルに切り替わる(図11のB3)。遮断装置7の遮断制御信号として使用しているラッチ装置24の出力がハイレベルになると、遮断装置7の出力がハイインピーダンス状態となる(図11のC3)。遮断装置7の出力がハイインピーダンス状態となることにより、電力変換装置2が停止する(図11のD3)。その後、電流検出装置4で検出した電流値が電流閾値より小さくなり、遮断開始信号の出力が停止する(図11のE3)。遮断開始信号の出力が停止しても、ラッチ装置24は出力の論理をハイレベルで維持する(図11のF3)。ラッチ装置24の出力がハイレベルになってからラッチ装置24で設定した時間が経過すると、ラッチ装置24の出力がローレベルに切り替わる(図11のG3)。ラッチ装置24の出力がローレベルになると、遮断装置7の出力がハイインピーダンス状態ではなくなるため、遮断装置7の出力はゲート駆動信号に応じてローレベルまたはハイレベルとなる(図11のH3)。遮断装置7の出力がハイインピーダンス状態ではなくなることにより、電力変換装置2が動作する(図11のI3)。
本実施の形態3の作用および効果を説明する。本実施の形態3の電動機制御装置1によれば、ラッチ装置24は、汎用的なタイマIC装置50を用いて構成することができるため、比較的容易に構成することができる。また、汎用的なタイマIC装置50を用いて構成することにより、部品点数を少なくすることができる。
実施の形態4.
本実施の形態4の電動機制御装置1は、実施の形態1の電動機制御装置1と比較すると、遅延時間の設定方法に関して制約条件が追加されている点が異なる。本実施の形態4においては、実施の形態1で説明した構成と同一の構成に同一の符号を付す。
図12は、本実施の形態4における電動機制御装置1を中心とする電動システムの一構成例を示すブロック図である。本実施の形態4の電動機制御装置1の構成を説明する。本実施の形態4では、実施の形態1と異なる点を説明する。本実施の形態4では、比較装置8が出力する遮断開始信号が、制御装置6にも入力される。そして、制御装置6は、遮断開始信号に基づいて、異常発生時に、ゲート駆動信号の出力を停止する。
異常発生時に制御装置6がゲート駆動信号の出力を停止する時間は、制御装置6が実行するソフトウェアにて設定する。ソフトウェアにて設定するゲート駆動信号出力停止時間は、たとえば、電動機制御装置1が搭載されるシステムが許容できる最大休止時間である。
このとき、遅延装置10に設定される遅延時間は、ソフトウェアにて設定されるゲート駆動信号出力停止時間以下とする。したがって、遅延装置10は、ゲート駆動信号出力停止時間を考慮した素子でハードウェアが構成される。
図13は、実施の形態4に係る電動機制御装置1において、過電流発生時のゲート遮断動作に関わる信号変化を示すタイムチャートを表す図である。次に、本実施の形態4に係る電動機制御装置1の動作を説明する。
遮断開始信号が出力されると、制御装置6がゲート駆動信号の出力を停止する(図13のA4)。ラッチ装置9の出力がハイレベルになってから遅延装置10で設定した時間が経過すると、ラッチ装置9の出力がローレベルに切り替わる(図13のB4)。ラッチ装置9の出力がローレベルになると、遮断装置7の出力がハイインピーダンス状態ではなくなり、遮断装置7の出力は、ローレベルとなる(図13のC4)。制御装置6がゲート駆動信号の出力を停止してからソフトウェアにて設定したゲート駆動信号出力停止時間が経過すると、制御装置6がゲート駆動信号を出力する(図13のD4)。遮断装置7の出力は、ゲート駆動信号に応じてローレベルまたはハイレベルとなる(図13のE4)。
本実施の形態4の作用および効果を説明する。遅延装置10における遅延時間が、ソフトウェアにて設定するゲート駆動信号出力停止時間より大きい場合、過電流の誤検知などが発生すると、電動機制御装置1は、電動機制御装置1が搭載されるシステムが許容できる時間以上に停止する。したがって、システムの動作に弊害が生じる可能性がある。本実施の形態4の電動機制御装置1は、遅延装置10の遅延時間が、ソフトウェアにて設定するゲート駆動信号出力停止時間以下としている。このため、過電流の誤検知などが発生した場合においても、システムの動作に弊害が生じない。
実施の形態5.
本実施の形態5の電動機制御装置1は、実施の形態1と比較すると、電流閾値の設定方法に関して、制約条件が追加されている点が異なる。本実施の形態5においては、実施の形態1で説明した構成と同一の構成に同一の符号を付す。
本実施の形態5では、制御装置6は、制御装置6に入力された電流検出装置4の出力が、制御装置6が実行するソフトウェアにて設定されるソフトウェア電流閾値より大きい場合に、ゲート駆動信号の出力を停止するものである。電動機3が永久磁石同期電動機の場合、ソフトウェア電流閾値は、たとえば、永久磁石が減磁しない電流値とする。
また、比較装置8において設定される設定電流閾値は、ソフトウェア電流閾値より大きくする。設定電流閾値は、前述したように、分圧抵抗により値の設定が行われる。
次に、本実施の形態5に係る電動機制御装置1の動作を説明する。本実施の形態5における電動機制御装置1の構成は、実施の形態1の構成と同じであるものとする。制御装置6が正常に動作する場合、過電流が流れると、制御装置6に入力された電流検出装置4の出力がソフトウェア電流閾値より大きくなり、制御装置6はゲート駆動信号の出力を停止する。ゲート駆動信号の出力が停止されると、電力変換装置2が停止する。一方、制御装置6が正常に動作しない場合、過電流が流れても、制御装置6はゲート駆動信号の出力を停止することができない。ゲート駆動信号が遮断されないため、さらに過電流が流れ、電流検出装置4の出力が比較装置8に入力する電流閾値より大きくなる。電流検出装置4の出力が比較装置8に入力する電流閾値より大きくなると、遮断制御信号が出力され、遮断装置7によってゲート駆動信号が遮断される。遮断装置7によってゲート駆動信号が遮断されると、電力変換装置2が停止する。
本実施の形態5の作用および効果を説明する。本実施の形態5によれば、制御装置6が正常に動作する場合は、制御装置6によるゲート駆動信号停止動作が遮断装置7によるゲート駆動信号遮断動作より早く行われる。これにより、制御装置6が正常に動作する場合、過電流発生時において信号を停止する時間となるゲート駆動信号出力停止時間は、ソフトウェアにおいて設定される設定値によって、任意の時間に設定することができる。このため、電動機制御装置1が搭載されるシステムに応じて、再起動間隔を調整することができる。制御装置6が正常に動作しない場合においても、遮断装置7によってゲート駆動信号を一定時間遮断することができる。本実施の形態5では、遮断装置7によるゲート駆動信号遮断動作を、制御装置6が正常に動作しなくなった場合の予備の保護動作とすることで、安全面での信頼性向上と使用面での利便性を両立させることができる。
実施の形態6.
本実施の形態6の電動機制御装置1は、実施の形態1と比較すると、ラッチ装置9におけるラッチ状態を解除する手段が異なる。本実施の形態6においては、実施の形態1で説明した構成と同一の構成に同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
図14は、実施の形態6における電動機制御装置1を中心とする電動システムの一構成例を示すブロック図である。本実施の形態6の電動機制御装置1の構成を説明する。本実施の形態6では、実施の形態1と異なる点を説明する。実施の形態1の電動機制御装置1と比較すると、本実施の形態6の電動機制御装置1は、温度検出装置36を有する。また、遅延装置10の代わりに、温度判定装置37を有する。したがって、本実施の形態6では、温度判定装置37の出力が、ラッチ装置9のラッチ解除信号となる。
温度検出装置36は、電力供給による温度上昇からの保護を行う保護対象となる電動機3の巻き線温度を検出する。そして、温度検出装置36は、検出した温度を、検出温度値として出力する。温度検出装置36は、たとえば、サーミスタである。ここで、温度検出装置36が検出する温度は電動機3の巻き線温度に限らない。たとえば、電力変換装置2と電動機3を接続する配線の温度を温度検出装置36が検出してもよい。また、電力供給対象の電動機3の部品が保護対象となっているが、異なっていてもよい。
図15は、温度判定装置37の一構成例を示す図である。また、図16は、温度判定装置37の論理の一例を示す図である。図16は、温度判定装置37の真理値表を示している。温度判定装置37は、ラッチ装置9がラッチ状態で、かつ、温度検出装置36の出力となる検出温度値が、予め設定した設定温度による温度閾値より小さくなると、出力がハイレベルとなる。つまり、ラッチ装置9の出力がハイレベルで、かつ、温度検出装置36の出力が温度閾値より小さくなると、出力がハイレベルとなる。図15より、温度判定装置37は、ANDゲート39とコンパレータ38とで構成することができる。
温度閾値は、電動機3の巻き線温度の規格値より十分小さい温度に設定する。温度閾値は、たとえば、電動機3の巻き線温度の規格値から一回の過電流による巻き線の温度上昇値の最大値に、マージンを加味した値を差し引くことにより求める。
図17は、実施の形態6に係る電動機制御装置1において、過電流発生時のゲート遮断動作に関わる信号変化を示すタイムチャートを表す図である。次に、本実施の形態6に係る電動機制御装置1の動作を説明する。
遮断装置7の出力がハイインピーダンス状態となるまでは、電動機3に電流が流れ続けるため、電動機3の巻き線温度が上昇する(図17のA5)。巻き線温度は温度閾値より大きいため、温度判定装置37の出力は、ローレベルとなる(図17のB5)。ラッチ装置9の出力がローレベルからハイレベルに切り替わると、遮断装置7の出力が、ハイインピーダンス状態となり、電動機3に電流が流れなくなるため、巻き線温度が下降する(図17のC5)。その後、巻き線温度が温度閾値より小さくなると、温度判定装置37の出力は、ローレベルからハイレベルに切り替わる(図17のD5)。ラッチ装置9のラッチ解除信号として使用している温度判定装置37の出力がハイレベルになると、ラッチ装置9の出力が、ローレベルに切り替わる(図17のE5)。ラッチ装置9の出力がローレベルになると、温度判定装置37の出力が、ハイレベルからローレベルに切り替わる(図17のF5)。ラッチ装置9の出力がローレベルになると、遮断装置7の出力がハイインピーダンス状態ではなくなるため、遮断装置7の出力は、ゲート駆動信号に応じて、ローレベルまたはハイレベルとなる(図17のG5)。遮断装置7の出力がハイインピーダンス状態ではなくなることにより、電力変換装置2が動作する(図17のH5)。
本実施の形態6の作用および効果を説明する。本実施の形態6の電動機制御装置1によれば、電動機3などの保護対象部品の温度が設定値よりも高ければ、ゲート駆動信号の遮断状態を維持することができる。これにより、過電流発生後に制御装置6がゲート駆動信号の出力を停止せず、一定の時間間隔で繰り返し過電流が流れる場合においても、保護対象部品を適切に冷却することができ、保護対象部品の過剰発熱を防止することができる。また、本実施の形態6の電動機制御装置1は、ゲート遮断に関わる一連の動作を、ソフトウェアを介さずに、ハードウェアの構成によって行うことができる。このため、機能安全規格上、ソフトウェアを介在させた保護を行っているとみなされない。このため、ソフトウェアの規格適合が不要となる。
実施の形態7.
本実施の形態7の電動機制御装置1は、実施の形態1の電動機制御装置1と比較すると、温度による異常判定を行っている点が異なる。本実施の形態7においては、実施の形態1で説明した構成と同一の構成に同一の符号を付す。
図18は、実施の形態7における電動機制御装置1を中心とする電動システムの一構成例を示すブロック図である。本実施の形態7の電動機制御装置1の構成を説明する。本実施の形態7では、実施の形態1と異なる点について説明する。本実施の形態7の電動機制御装置1は、電力変換装置2、制御装置6、温度検出装置36、温度比較装置40および遮断装置7を有する。電力変換装置2、制御装置6および遮断装置7は、実施の形態1で説明したことと同様の動作を行う。図18において、温度検出装置36は、実施の形態6と同様に、保護対象となる電動機3の巻き線温度を検出し、検出した温度を検出温度値として出力する。ただし、温度検出装置36が検出する温度は、電動機3の巻き線温度に限らない。また、電力供給対象の電動機3の部品が保護対象となっているが、異なっていてもよい。そして、本実施の形態7においては、温度比較装置40の出力が遮断装置7の遮断制御信号となる。
図19は、温度比較装置40の一構成例を示す図である。図19に示す温度比較装置40は、コンパレータ41、抵抗42、抵抗43および抵抗44で構成される。温度比較装置40は、ヒステリシス特性を有する装置であり、温度比較装置40は、温度閾値と温度検出装置36が検出した検出温度値とを比較する。本実施の形態7においては、温度比較装置40の出力が遮断装置7の遮断制御信号となる。
図20は、温度比較装置40の入出力特性の一例を示す図である。温度比較装置40に入力された温度閾値に応じて、上位温度閾値と下位温度閾値が決まる。温度比較装置40は、温度閾値の比較対象となる温度が上昇する場合、比較対象温度が上位温度閾値より大きくなると、出力をローレベルからハイレベルに切り替える。また、温度比較装置40は、比較対象温度が下降する場合、比較対象温度が下位温度閾値より小さくなると、出力をハイレベルからローレベルに切り替える。
上位温度閾値は、電動機3の巻き線温度の規格値より小さい温度とする。上位温度閾値は、たとえば、電動機3の巻き線温度の規格値より10℃小さい温度とする。下位温度閾値は、上位温度閾値より小さい温度とする。下位温度閾値は、たとえば、上位温度閾値より10℃小さい温度とする。
図21は、実施の形態7に係る電動機制御装置1において、過電流発生時のゲート遮断動作に関わる信号変化を示すタイムチャートを表す図である。次に、本実施の形態7に係る電動機制御装置1の動作を説明する。
過電流などの発生により、電動機3の巻き線温度が上昇し、温度検出装置36で検出した巻き線温度が上位温度閾値より大きくなると、温度比較装置40の出力がハイレベルとなる(図20のA6)。遮断装置7の遮断制御信号として使用している温度比較装置40の出力がハイレベルになると、遮断装置7の出力が、ハイインピーダンス状態となる(図20のB6)。遮断装置7の出力がハイインピーダンス状態となることにより、電力変換装置2が停止する(図20のC6)。遮断装置7の出力がハイインピーダンス状態になると、電動機3に電流が流れなくなるため、巻き線温度が下降する(図20のD6)。その後、巻き線温度が下位温度閾値より小さくなると、温度比較装置40の出力はハイレベルからローレベルに切り替わる(図20のE6)。温度比較装置40の出力がローレベルになると、遮断装置7の出力がハイインピーダンス状態ではなくなるため、遮断装置7の出力は、ゲート駆動信号に応じてローレベルまたはハイレベルとなる(図20のF6)。遮断装置7の出力がハイインピーダンス状態ではなくなることにより、電力変換装置2が動作する(図20のG6)。
本実施の形態7の作用および効果を説明する。本実施の形態7の電動機制御装置1によれば、電動機3などの保護対象部品の温度が上位温度閾値よりも高くなると、ゲート駆動信号を遮断する。そして、電動機3などの保護対象部品の温度が下位温度閾値より小さくなるまでゲート駆動信号の遮断状態を維持することができる。これにより、保護対象部品の温度が規格値より大きくなる前にゲート駆動信号を遮断することができ、保護対象部品の温度が規格値より大きくなることを防止することができる。また、過電流発生後に制御装置6がゲート駆動信号の出力を停止せず、一定の時間間隔で繰り返し過電流が流れる場合においても、保護対象部品を適切に冷却することができ、保護対象部品の過剰発熱を防止することができる。さらに、温度比較装置40がヒステリシス特性を有することにより、温度比較装置40がラッチ開始動作とラッチ解除動作を行うことができる。このため、回路構成を比較的簡素化することができ、部品点数を少なくすることができる。そして、本実施の形態7の電動機制御装置1は、ゲート遮断に関わる一連の動作をソフトウェアを介さずにハードウェアにて行うことができる。このため、機能安全規格上、ソフトウェアを介在させた保護を行っているとみなされない。このため、ソフトウェアの規格適合が不要となる。
実施の形態8.
上述した実施の形態1~実施の形態7のうち、いずれか2つ以上の実施の形態における構成を組み合わせても、上述した効果を得ることができる。
1 電動機制御装置、2 電力変換装置、2a パワーモジュール、3 電動機、4 電流検出装置、4a 電流検出器、5 電源、6 制御装置、7 遮断装置、7a,7b 制御端子、8 比較装置、9 ラッチ装置、10 遅延装置、11,12,13,14 抵抗、15 コンデンサ、16 NチャネルMOSFET、17 PチャネルMOSFET、18 コンパレータ、19 電流検出装置、20 遮断装置、21 比較装置、22 ラッチ装置、23 遅延装置、24 ラッチ装置、25 フリップフロップ、26,27 NOTゲート、28,29 コンパレータ、30 NチャネルMOSFET、31 コンデンサ、32,33,34,35 抵抗、36 温度検出装置、37 温度判定装置、38 コンパレータ、39 ANDゲート、40 温度比較装置、41 コンパレータ、42,43,44 抵抗、50 タイマIC装置。

Claims (9)

  1. 電力変換を行って、供給対象に電力を供給する電力変換装置と、
    前記電力変換装置の動作を制御する制御装置と、
    前記供給対象に流れる電流を検出する電流検出装置と、
    前記電流検出装置が検出した電流による電流検出値が予め決められた設定電流閾値より大きくなると出力の論理が反転する遮断開始信号を出力する比較装置と、
    遮断制御信号に基づいて、前記制御装置が前記電力変換装置に出力する変換動作信号を遮断する遮断装置と、
    前記比較装置が出力する前記遮断開始信号に基づいて前記遮断制御信号を出力し、ラッチ解除信号が入力されるまで、前記遮断装置に前記変換動作信号を遮断している状態を維持させるラッチ動作を行うラッチ装置と、
    前記ラッチ装置が前記ラッチ動作を開始してから、構成素子によって決まる遅延時間が経過すると、前記ラッチ解除信号を出力する遅延装置と
    を備え
    前記制御装置は、
    前記供給対象および前記電力変換装置の少なくとも一方が異常な挙動を示したものと判定すると、前記変換動作信号の出力を停止し、
    前記変換動作信号の出力を停止状態に維持する信号出力停止時間は、前記制御装置が実行するソフトウェアによって設定される時間であり、前記ラッチ装置が前記ラッチ動作を開始してから前記ラッチ解除信号が出力されるまでの時間以上の時間である電力供給制御装置。
  2. 前記制御装置は、
    前記電流検出値が、前記設定電流閾値より小さく、前記ソフトウェアにより設定されるソフトウェア電流閾値より大きいと判定すると、前記変換動作信号の出力を停止する請求項に記載の電力供給制御装置。
  3. 電力変換を行って、供給対象に電力を供給する電力変換装置と、
    前記電力変換装置の動作を制御する制御装置と、
    前記供給対象に流れる電流を検出する電流検出装置と、
    前記電流検出装置が検出した電流による電流検出値が予め決められた設定電流閾値より大きくなると出力の論理が反転する遮断開始信号を出力する比較装置と、
    遮断制御信号に基づいて、前記制御装置が前記電力変換装置に出力する変換動作信号を遮断する遮断装置と、
    前記比較装置が出力する前記遮断開始信号に基づいて前記遮断制御信号を出力し、ラッチ解除信号が入力されるまで、前記遮断装置に前記変換動作信号を遮断している状態を維持させるラッチ動作を行うラッチ装置と、
    前記ラッチ装置が前記ラッチ動作を開始してから、構成素子によって決まる遅延時間が経過すると、前記ラッチ解除信号を出力する遅延装置と
    を備え、
    前記遅延時間は、電力供給による温度上昇からの保護を行う保護対象の温度を、定められた設定温度に下げる時間に設定する電力供給制御装置。
  4. 前記ラッチ装置は、
    前記比較装置が出力する信号と前記遅延装置が出力する信号とを入力として、前記ラッチ動作を行う請求項1~請求項3のいずれか一項に記載の電力供給制御装置。
  5. 前記電流検出装置、前記比較装置、前記ラッチ装置、前記遅延装置および前記遮断装置の組み合わせを複数備え、
    少なくとも1つの前記組み合わせにおいて、前記電流検出装置の検出に係る前記電流検出値が前記設定電流閾値より大きければ、前記遮断装置は、前記変換動作信号を遮断する請求項1~請求項4のいずれか一項に記載の電力供給制御装置。
  6. 前記遅延時間は、前記遅延装置が有する抵抗の抵抗値とコンデンサの静電容量とで決まる時間である請求項1~請求項5のいずれか一項に記載の電力供給制御装置。
  7. 前記ラッチ装置は、
    タイマIC装置である請求項1~請求項のいずれか一項に記載の電力供給制御装置。
  8. 前記制御装置は、
    前記遮断開始信号に基づいて、前記変換動作信号を停止する請求項1~請求項のいずれか一項に記載の電力供給制御装置。
  9. 前記電力変換装置は、
    直流電圧を交流電圧に変換して、前記交流電圧による電力を前記供給対象に供給する請求項1~請求項のいずれか一項に記載の電力供給制御装置。
JP2022563314A 2020-11-18 2020-11-18 電力供給制御装置 Active JP7407969B2 (ja)

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