JPH06224727A

JPH06224727A - 電力制御信号検出装置

Info

Publication number: JPH06224727A
Application number: JP5011450A
Authority: JP
Inventors: Hirokazu Kurotaki; 宏和黒瀧; Seiji Okada; 誠二岡田; Nobuhide Seo; 宣英瀬尾; Kazushi Fukuniwa; 一志福庭
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1993-01-27
Filing date: 1993-01-27
Publication date: 1994-08-12

Abstract

(57)【要約】【目的】駆動源の制御部分が電磁障害で誤動作すること
がないようにする。【構成】電力制御素子５４からの出力電流Ｉを磁気光学
素子５６の電流路に導き、磁気光学素子５６には、電流
Ｉに直交する方向に発光源５５から出力される直線偏光
を入射する。電流Ｉにより磁気光学素子５６の磁化状態
が変化すると、磁気光学効果により磁気光学素子５６へ
の直線偏光が、磁気光学素子５６の磁化状態に応じてそ
の偏光面の回転角が変化し、その回転角をその光の強度
を示す光信号に変換して、フォトトランジスタ５９のＯ
Ｎ／ＯＦＦにて電力制御素子５４を流れる電流を制御す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気鉄道、電気自動車
などの電動機を駆動源とする移動車両、その他、駆動源
として大電力を扱う機器における電力制御信号検出装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、陸上における移動体として鉄
道や自動車などが用いられ、近年、それらの駆動源の形
態が変わりつつある。そこで、以下、鉄道及び自動車を
例にとって、それらにおいて用いられている駆動技術の
変遷について概観するとともに、従来より用いられてい
る電流の検出方法についても言及する。

【０００３】(i)鉄道技術の場合鉄道車両は、蒸気機関や内燃機関、さらには電動機を駆
動源として発達し、近年の多様化するサービス体系を拡
充するため、電力による駆動方式に統一されつつある。
その駆動方式の中でも、特に直流あるいは交流電源から
の電力を半導体素子を用いて三相交流に変換し、三相誘
導電動機によって車両を駆動する方式が、以下に述べる
特徴を有するために多用されている。すなわち、（１）駆動出力を大きくとれる（２）整流子などの接触部分がなく、高回転型の電動機
が適用できる（３）電動機の重量を低減できるなどがあげられる。

【０００４】しかし、これらの利点を引き出すために
は、三相交流の電圧あるいは電流と周波数とを任意に変
化させる必要があり、この技術が未発達の時代では、駆
動源として直流電動機に限定せざるを得なかった。近年
のインバータ技術の発達は、上記の困難を解決するとと
もに、大容量の半導体の出現と相まって、駆動方式の革
新がなされるに至った。ここで、インバータとは、直流
あるいは単相交流を三相交流に変換する装置であり、逆
に、三相交流を直流あるいは単相交流に変換する機能を
有するものである。従って、車両の制動時には、特別の
回路を設置することなく回生制動が可能になるというこ
とも徴の１つである。

【０００５】(ii) 電気自動車の場合自動車を電動機にて駆動する技術、つまり、電気自動車
は研究開発が進み（例えば、特公昭５２−４８０５号公
報参照）、特殊用途用として一部実用化されているとと
もに、一般乗用車としても近い将来出現することは、地
球環境や大気保全の問題とも絡み、間違いのない状況で
ある。この電気自動車は、上述の電気鉄道とは違って、
電車線から半無限的に電力の供給を受けることは不可能
であり、搭載した蓄電器からの有限な電力量がその駆動
エネルギーのすべてである。従って、使用する電動機の
選択においても、誘導電動機や同期電動機など、小型・
軽量で高出力が得られ、また、回生制動によるエネルギ
ーの効率的な利用が可能なものが中心課題となる。

【０００６】自動車の動力源に要求されるトルク特性は
多用性に富んでおり、電気鉄道のそれとは比較にならな
い。すなわち、電動機を駆動源とする自動車の出現が遅
れているのは、蓄電器による有限な駆動電力の蓄積の他
に、未だ電気自動車が、エンジンなどの内燃機関が有す
る出力トルクと、変速機による最適な動力伝達機能とを
凌駕できないことが、その要因である。

【０００７】(iii)電流検出方法従来より用いられている、検出信号を電気信号として得
るための電流検出方法として、例えば、（１）回路に直列に抵抗を挿入し、その抵抗部分にて発
生する電圧降下をもとに電流を検知する（２）回路に直列にコイルやトランスを挿入し、そこで
発生した誘導電圧をもとに電流を検知する（３）ホール素子によるホール効果を利用して電流を検
知する（４）電力が供給されている装置自身での電圧降下によ
り電流を検知するという方法がある。

【０００８】図５は、従来より電気鉄道を主に用いられ
てきた電力制御システムであるＶＶＶＦインバータの回
路構成の概略を示す図であり、図６は、このＶＶＶＦイ
ンバータの概略構成ブロツク図である。図５において、
半導体電力制御素子であるトランジスタ１ａ〜１ｆよ
り、負荷であるモータ（図中、符号Ｍにて示される）出
力された電流については、例えば、ホール素子のような
半導体電流検出素子やカレントトランスにて構成される
過電流検出部２にて、その過電流が検出される。そし
て、この過電流の検出値は、電気信号として整流・波形
合成部に入力され、そこで波形合成が行なわれた後、ノ
イズフィルタ４にて、その検出信号に含まれるノイズが
除去される。

【０００９】ノイズが除去された電気信号は、コンパレ
ータ６にて、あらかじめ過電流設定部５に設定した値と
比較され、その出力はＰＷＭ制御回路８に入力される。
このＰＷＭ制御回路８は、上記検出値をもとに負荷に供
給すべき最適な電力値を演算し、その演算結果をもとに
トランジスタ１ａ〜１ｆを駆動する信号のパルス幅を決
定する。そして、パルス分配器７は、ＰＷＭ制御回路８
からの指示を受けてトランジスタ１ａ〜１ｆを駆動する
ドライブ回路９ａ〜９ｆそれぞれに、所定パルス幅を有
する信号を配する。その結果、トランジスタ１ａ〜１ｆ
は、これらのパルスにてベースタイミングの制御を受
け、それに従って、負荷に対して電力を供給する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の電気鉄道の場合、直流あるいは交流電源から大電力
の三相交流を発生させる半導体装置では、強いレベルの
電磁ノイズが発生し、この電磁ノイズが誘導電流となっ
て駆動源の制御信号に重畳されると、駆動源が誤動作す
ることになる。そこで、この誤動作を検出・処理する装
置が新たに必要となり、鉄道車両の場合、十分な空間が
あるので、その装置の設置空間に関しては特に問題は発
生しないが、制御装置のコスト増という大きな問題が発
生する。

【００１１】また、自動車の動力源として誘導電動機を
用い、その電動機に供給する電圧あるいは電流の周波数
を制御して、従来の自動車の主要構成要素である変速機
の機能を実現することで、電気自動車の動力特性を大幅
に改善できる。しかし、これら自動車における動力制御
は、上記の電気鉄道と同様、電磁障害の問題を引き起こ
すという危惧があり、この電磁障害が、車両の制御の中
心を電子制御に移行しつつある自動車においては致命的
になる可能性がある。従って、安全性をその基盤とする
自動車では、電磁障害の問題は避けて通ることができな
い技術課題となっている。

【００１２】他方、この電磁障害を回避するため、自動
車の中央制御部を含む制御系を完全に電磁遮蔽するとい
う方法が実施されているが、機構の複雑さに起因するノ
イズの重畳の増大が発生し、軽量化を図るべき電気自動
車においては、この方法が逆に車両重量を増大するとい
う問題を発生する。さらに、上記従来の電流検出方法に
は、例えば、（１）については、抵抗部分で発生するジ
ュール熱による電力損失が生じる、（２）では、電流の
時間的な変化分しか検出できない、（３）は、ホール素
子の特性が温度に依存する、また、（４）については、
装置の内部抵抗が電流あるいは温度に対して一定でなけ
ればならない、という問題がある。

【００１３】上記ＶＶＶＦインバータについては、負荷
への動力電流から発生する電磁波や、装置の外部から侵
入する電磁波による誘導が、検出信号を通す信号線や制
御信号線に誘導起電力を引き起こし、それが雑音となっ
て信号に累積する。このため、半導体電力制御素子であ
るトランジスタ１ａ〜１ｆが、負荷に対してノイズを累
積した信号に相当する出力を行なうことになり、装置の
誤動作の原因となる。

【００１４】本発明の目的は、電気鉄道や電気自動車の
駆動力制御部分が電磁障害によって誤動作することがな
い電力制御信号検出装置を提供することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、負荷へ供給する電力を制御する電力制御
手段と、前記電力制御手段から出力される電流を検出す
る電流検出手段と、前記電流検出手段からの検出信号に
応じて、前記電力制御手段に、該電力制御手段が負荷に
対して所定の電力を供給するための信号を出力する制御
手段とを備え、前記電流検出手段として、電流にて生成
される磁界の強度に応じて入射直線偏光の偏光面を回転
させる磁気光学素子を用い、該偏光面を回転の度合いを
示す光信号を検出信号として前記制御手段へ伝送する。

【００１６】

【作用】以上の構成において、駆動源の制御部分が電磁
障害で誤動作することがないよう機能する。

【００１７】

【実施例】以下、添付図面を参照して、本発明に係る好
適な実施例を詳細に説明する。図１は、本発明の実施例
に係る電力制御信号検出装置の原理を示す概略ブロック
構成図である。同図に示すように、例えば、半導体にて
構成される電力制御素子２１からの出力電流は、その電
流値が、検出部２２で光学的な手段にて検出され、その
検出信号１である光信号、具体的には光の偏光角を検光
子２３に入力する。

【００１８】この検光子２３からの検出信号２は、光の
強度に応じて変化する光学的な信号であり、制御部２４
はこの検出信号２を受けて所定の演算処理を行ない、電
力制御素子２１を制御するための制御信号を最適化す
る。図１に示す電力制御信号検出装置では、上述のよう
に、電力制御素子２１からの出力電流値が光学的な手段
にて検出され、その検出信号１（光信号）が検光子２３
を介して検出信号２（光の強度を示す光信号）として制
御部２４に入力される経路では、光による電流検出、及
び光による検出値の伝送が行なわれているため、電磁障
害が発生する余地はない。

【００１９】しかし、制御部２４より発生した制御信号
を、電気信号のまま電力制御素子２１のバイアス電界と
して供給するか、あるいは、制御部２４からの信号を光
信号に変換して電力制御素子２１に送るかにより、２つ
の異なる方式をとる電力制御信号検出装置の実現が可能
となる。制御部２４より発生した制御信号を、電気信号
のまま電力制御素子２１に供給する方式では、制御部２
４と電力制御素子２１間の信号線が電磁障害を受ける可
能性があるが、この信号線のみを電磁遮蔽することで、
装置が電磁障害によって誤動作しないようにするという
本発明の目的を達成できる。つまり、この方式は、後述
するように、光電変換部を設けて、制御部２４からの信
号を光信号にて電力制御素子２１に送るという方式より
も装置のコスト面で有利に働く。

【００２０】一方、制御部２４からの電気信号を、不図
示の光電変換部にて光信号に変換してから電力制御素子
２１に送る方式では、この電力制御素子２１のバイアス
部にに直結された光電変換素子（不図示）が、伝送され
てきた光信号を即座に電気信号に変換し、電力制御素子
は適正な電流を出力する。すなわち、この方式では、最
低限、制御部２４のみを電磁遮蔽しておくことで、電流
の検出部や検出信号、制御信号の伝送部分での電磁誘導
によるノイズ累積がなく、装置における電磁障害を完全
に除去できる。

【００２１】図２は、図１に示す電力制御信号検出装置
において、電流の検出部として磁気光学素子を用いた場
合の概略構成を示すブロック図である。同図に示すよう
に、磁気光学素子３１には、一定の光（直線偏光）が入
力されており、電力制御素子３２に流入する電流Ｉにて
磁化された磁気光学素子３１による直線偏光の偏光面の
回転角にて、電流Ｉの値を検出しようとするものであ
る。

【００２２】磁気光学素子３１を通過して偏光面の回転
を受けた光は、不図示のインタフェース部を介して制御
部３３に入力され、その入力光をもとに、制御回路及び
駆動回路（不図示）が所定の演算・電力制御の最適化を
行なう。次に、本実施例に係る電力制御信号検出装置に
おける電流検出方法について説明する。

【００２３】図３は、本実施例に係る電力制御信号検出
装置の電流検出部における電流検出方法を示す図であ
る。同図に示す電流検出部において、基盤４３上に被検
出電流（図中、Ｉ）を通すための電流層４２を設ける。
この層は、電流検出部における電流線として機能するも
のであり、例えば、一般の半導体のように、単結晶ある
いは多結晶のシリコンに不純物を混合した材料にて、ま
たは、アルミニウムや銅を蒸着させてこの層を形成す
る。

【００２４】この電流層４２の上には、それに密着させ
て、例えば、磁気ガーネットなどの材料にて構成される
磁気光学素子４１を設置する。また、この磁気光学素子
４１には、電流層４２を流れる電流Ｉに直交する方向に
光４４を入射することで、電流Ｉから発生する磁界と入
射光４４とが平行になるようにする。なお、この磁気光
学素子４１には、図に示すようにその上部に突起部４１
ａを設け、この突起部４１ａが光の導波路として機能す
るように構成されている。

【００２５】そして、電流Ｉにより磁気光学素子４１の
磁化状態が変化するので、磁気光学素子４１への直線偏
光である入射光４４は、磁気光学素子４１の磁化状態に
応じてその偏光面が回転する。この回転角はファラデー
回転角と呼ばれ、直線偏光が通過する周囲の磁界強度、
換言すれば、電流Ｉの関数である。本実施例では、磁気
光学素子４１からの出射光４５を、例えば、金属薄膜な
どにてなる検光子４６を通過させる。この構成をとるこ
とで、検光子４６を通過した直線偏光は、回転角（ここ
では、θ）の余弦関数にて示される強度（直線偏光の振
幅をＡとした場合、Ａｃｏｓθ）の直線偏光に変換され
ることになる。

【００２６】図４は、本実施例に係る電力制御信号検出
装置の具体的な構成を示すブロック図である。同図にお
いて、制御回路５１は、オプトカプラ５２を介して駆動
回路５３に制御信号を送り、駆動回路５３にて、例え
ば、ＧＴＯ、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、
ＩＧＢＴなどの電力制御素子５４を駆動するために必要
な電流信号、あるいは電圧信号を発生させる。電力制御
素子５４は、この信号によりＯＮ／ＯＦＦされ、不図示
の負荷へ所定の電力を供給する。

【００２７】電力制御素子５４の電流出力側には、図３
に示す構成をとる電流検出部が設けられている。すなわ
ち、電力制御素子５４からの出力電流Ｉを磁気光学素子
５６の電流路に導き、磁気光学素子５６には、電流Ｉに
直交する方向に発光源５５から出力される直線偏光を入
射する。その結果、電流Ｉから発生する磁界と磁気光学
素子５６への入射光とが平行になり、電流Ｉにより磁気
光学素子５６の磁化状態が変化すると、磁気光学効果に
より磁気光学素子５６への直線偏光が、磁気光学素子５
６の磁化状態に応じてその偏光面の回転角が変化する。

【００２８】磁気光学素子５６を通過した光は、図３に
示す構成と同様に検光子５７に入射され、検光子５７
は、入力した光の偏光面の回転角をその光の強度に変換
する。この変換後の光信号は、光ファイバ５８を伝送路
としてフォトトランジスタ５９に入力される。検光子５
７は、あらかじめ設定した値を越える偏光面の回転角を
検知した場合、電力制御素子５４に過電流が流れたと判
断して、不図示の格子（スリット）を調整する。その結
果、フォトトランジスタ５９がＯＮし、電源６１から駆
動回路５３へ流入する電流が減少、あるいは制御電圧が
低下するので、駆動回路５３は、電力制御素子５４を流
れる電流が一定値を越えた場合、電力制御素子５４をＯ
ＦＦ状態にする。つまり、電力制御素子５４をＯＮ状態
にする信号に対して、その電力制御素子５４を流れる電
流値を光学的な方法で検出した結果を光信号にてフィー
ドバックして制御することで、電力制御素子５４を流れ
る電流を制御できることになる。

【００２９】以上説明したように、本実施例によれば、
半導体にて構成される電力制御素子を流れる電流を磁気
光学素子を用いて検出し、その検出結果を光信号にて電
力制御素子の制御部にフイードバックすることで、強電
流が流れる電力制御素子と、その電力制御素子を流れる
電流の検出部とが電気的に完全に分離でき、この検出部
が強電流による電磁誘導にて悪影響を受けることが回避
できる。同時に、電流の検出部を外来ノイズからの影響
から保護することが可能となるため、特に、本電力制御
信号検出装置を自動車に搭載した場合、ノイズによる自
動車の誤動作を防止できるのみならず、電気自動車とし
ての軽量化や簡素化を図ることができるという効果があ
る。

【００３０】なお、上記実施例では、電力制御素子５４
をＯＮ状態にする信号に対して、そこを流れる電流値を
光学的な方法で検出した結果をフィードバックして制御
し、電力制御素子５４を流れる電流をＯＦＦ状態にして
いるが、このとき、電力制御素子５４を完全にＯＦＦ状
態にせず、電流値に応じて段階的なＯＮ状態が確保でき
るようにしてもよい。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電流検出から検出信号の伝送を一貫して光学的に行なう
ことで、装置の制御部が電磁ノイズにて誤動作すること
を防止でき、装置を搭載した機器の計量化及び簡素化を
容易に図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る電力制御信号検出装置の
原理を示す概略ブロック構成図である。

【図２】実施例に係る電力制御信号検出装置において、
電流の検出部として磁気光学素子を用いた場合の概略構
成を示すブロック図である。

【図３】実施例に係る電力制御信号検出装置の電流検出
部における電流検出方法を示す図である。

【図４】実施例に係る電力制御信号検出装置の具体的な
構成を示すブロック図である。

【図５】従来より電気鉄道に用いられてきたＶＶＶＦイ
ンバータの回路構成の概略を示す図である。

【図６】ＶＶＶＦインバータの概略構成ブロツク図であ
る。

【符号の説明】

４１，５６磁気光学素子４２電流層４４入射光４５出射光４６，５７検光子５１制御回路５２オプトカプラ５３駆動回路５４電力制御素子５５発光源５８光ファイバ５９フォトトランジスタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所 // Ｈ０２Ｍ 7/48 Ｆ 9181−5Ｈ (72)発明者福庭一志広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】負荷へ供給する電力を制御する電力制御
手段と、前記電力制御手段から出力される電流を検出する電流検
出手段と、前記電流検出手段からの検出信号に応じて、前記電力制
御手段に、該電力制御手段が負荷に対して所定の電力を
供給するための信号を出力する制御手段とを備え、前記電流検出手段として、電流にて生成される磁界の強
度に応じて入射直線偏光の偏光面を回転させる磁気光学
素子を用い、該偏光面を回転の度合いを示す光信号を検
出信号として前記制御手段へ伝送することを特徴とする
電力制御信号検出装置。
【請求項２】前記電流検出手段は、さらに、前記磁気
光学素子からの出射光について、その偏光面の回転の度
合いを光の強弱として検出する検光手段を備えることを
特徴とする請求項１に記載の電力制御信号検出装置。
【請求項３】前記制御手段は、さらに、前記光信号を
電気信号に変換する光電変換手段を備え、該電気信号を
信号線を介して前記電力制御手段へ伝送することを特徴
とする請求項１に記載の電力制御信号検出装置。
【請求項４】前記信号線には、電磁遮蔽が施されてい
ることを特徴とする請求項３に記載の電力制御信号検出
装置。
【請求項５】さらに、前記制御手段から出力された信
号を光信号に変換する手段を備え、該光信号を光伝送線
にて前記電力制御手段へ伝送することを特徴とする請求
項１に記載の電力制御信号検出装置。
【請求項６】前記負荷は、電気自動車の駆動用電動機
であることを特徴とする請求項１に記載の電力制御信号
検出装置。