JPS59216492A - 電動機制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は電動機制御装置、詳しくは半導体パワー素子に
より交流電動機に供給する電流をフィードバック制御し
て電動機のトルクを制御する電動機制御装置に関する。

（従来技術） 近年、サイリスタを主役とする整流素子やパワートラン
ジスタなどに代表される、いわゆる半導体パワー素子（
以下、パワー素子と略称する）の発達は目覚ましく、こ
のようなパワー素子を用いて交流電動機の速度あるいは
トルクを直流電動機並に高精度、高効率で制御する電動
機制御装置が種々開発されている。このようなパワー素
子は一般的に熱や過負荷に弱く、高温度あるいは高負荷
で長時間使用すると信頼性が低下するため、特に温度や
負荷に対する考慮が必要となる。

このようなパワー素子を用いた従来の電動機制御装置と
しては、例えば［ニュードライブエレクトロニクス」　
（昭和５７年７月電気書院株式会社発行２１２〜２１３
頁）に記載されたものが知られている。このような装置
を第１．２図に基づき説明すると、１は車両（例えば、
電気自動車）のアクセルであり、アクセル１は運転者に
よるアクセル操作量に応じたトルク指令（Ｔ　Ｒ）を電
流指令関数発生器２に出力する。

電流指令関数発生器２はトルク指令（ＴＲ）に対応する
周波数と振幅を有する目標電流信号（ＳＴ）をコンパレ
ータ３に出力する。また、コンパレータ３にはフィルド
パック回路４から供給電流信号（Ｓ　Ｂ）が入力されて
おり、フィードバック回路４は電動機５に実際に供給さ
れている電流を検出し、この供給電流に応じた周波数と
振幅を有する供給電流信号（Ｓ　Ｂ）を出力している。

コンパレータ３は、これらの各信号（ＳＴ）　　（ＳＢ
）を比較し所定のヒステリシス幅＜ＨＹ）で応答して制
御信号（Ｓ　Ｃ）を出力する。すなわち、コンパレータ
３は第２図に示すようにオペアンプ６と、抵抗（Ｒ１）
（Ｒ２）（Ｒ３）と、から構成され、正帰還抵抗（Ｒ３
）はオペアンプ６のプラス入力（非反転入力）に正帰還
をかけてオペアンプ６に所定のヒステリシス特性をもた
せている。オペアンプ６のプラス端子には目標電流信号
（ＳＴ）が、マイナス端子（反転入力端子）にはフィー
トハック信号（ＳＢ）がそれぞれ入力されており、オペ
アンプ６はＳＢ＞ＳＴ＋ＨＹ　（ただし、ＨＹは正帰還
抵抗（Ｒ３）によって決定されるヒステリシス特性の幅
を示す）のとき（Ｌ）信号、ＳＢ＜５Ｔ−ＨＹのとき（
Ｈ）信号となる制御信号（ＳＣ）をインバータ回路７に
出力する。この場合、制御信号（Ｓ　Ｃ）は上記ヒステ
リシス幅（ＨＹ）で決定される所定のスイッチング周波
数を有しており、このスイッチング周波数はオペアンプ
６に入力される前記各信号（ＳＴ）（ＳＢ）の周波数よ
りも高い。インバータ回路７はパワー素子により構成さ
れ、制御信号（ＳＣ）に基づいてこのパワー素子をスイ
ッチング制御（オン・オフ制御）しバッテリ８からの直
流電流を、例えば３相の交流電流に変換して電動機５に
供給するとともに、その供給電流値を制御する。なお、
電動機５は交流誘導電動機等であり、車両走行用の出力
源として使用される。

したがって、この電動機制御装置は電動機５への供給電
流をフィードバックしてコンパレータ３により目標電流
信号（ＳＴ）と比較して制御信号（ＳＣ）を出力し、こ
の制御信号（ＳＣ）に基づいてインバータ回路７のパワ
ー素子をスイッチング制御することにより電動機５への
供給電流を調整し、電動機５の駆動トルクをアクセル１
からのトルク指令（ＴＲ）に合致させる。上記スイッチ
ング制御におけるパワー素子の単位時間当りのオン・オ
フ制御回数、すなわちスイッチング周波数はオペアンプ
６が一定のヒステリシス幅（ＨＹ）を有していることか
ら、一定の値となっている。そして、電動機５への供給
電流の上下変動幅はいずれもヒステリシス幅（ＨＹ）の
大きさに対応する範囲内に制御される。

しかしながら、このような従来の電動機制御装置にあっ
ては、オペアンプ６のヒステリシス幅（ＨＹ）が正帰還
抵抗（Ｒ３）によって固定化されていたため、パワー素
子のスイッチング周波数がアクセル操作量、すなわち電
動ｔ１５に供給する電流値の大きさに拘らず一定となり
、例えばパワー素子によって制御される上記電流値が大
きくなるとパワー素子の温度が上昇するとともに、パワ
ー素子の負担が大きくなってその信頼性が低下するとい
う問題点があった。

（発明の目的） そこで本発明は、交流電動機への供給電流をスイッチン
グ制御する電流供給手段の作動状態に基づいて目標値と
フィードバック値とを比較する比較手段のヒステリシス
幅を変化させることにより、電流供給手段のスイッチン
グ周波数を可変として該電流供給手段のスイッチング制
御における負担や温度上昇を低減して、その信頼性を向
上させることを目的としている。

（発明の構成） 本発明による電動機制御装置は、交流電動機の目標出力
を設定する出力設定手段と、該目標出力に基づいて交流
電動機に供給する電流の目標電流信号を出力する目標信
号出力手段と、交流電動機への供給電流を検出し供給電
流信号を出力する電流検出手段と、供給電流信号と目標
電流信号とを比較し所定のヒステリシス幅で応答して高
いスイッチング周波数を有する制御信号を出力する比較
手段と、電源電流と制御信号が入力され電源電流を制御
信号に基づいてスイッチングして交流電動機に交流電流
として供給する電流供給手段と、を備えた電動機制御装
置において、前記電流供給手段の作動状態を検出する作
動状態検出手段を設け、該作動状態検出手段の出力に基
づいて前記比較手段のヒステリシス幅を変化させること
により、電流供給手段のスイッチング周波数を可変とす
るものである。

（実施例） 以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第３．４図は、本発明の第１実施例を示す図であり、本
発明を電気自動車に適用した例である。まず、構成を説
明すると、２Ｉは車両（電気自動車）のアクセル（出力
設定手段）であり、アクセル２１は運転者によって操作
（踏み込み）されると、その操作量に応じて交流電動機
（以下、電動機と略称する）２２の目標出力（目標トル
ク）を設定し、この目標出力に対応するトルク指令（Ｔ
Ｒ）を電流指令関数発生器（目標信号出力手段）２３に
出力する。電流指令関数発生器詔はトルク指令（ＴＲ）
を電流指令に変換するもので、そのトルク指令（ＴＲ）
に基づいて電動機２２に供給する電流の目標電流信号（
ＳＴ）をコンパレータ（比較手段）２４に出力する。

この目標電流信号（ＳＴ）は電動機２２の目標出力に対
応する周波数および振幅を有する交流信号で、電動ｔＪ
Ｍ２２が三相交流電動機であれば位相が１２０°づつず
れた３組の信号が必要となるが、−相分について説明す
れば他は全く同様なので、以下−相分について説明し、
他は省略する。コンパレータ２４にはフィードバック回
路（電流検出手段）２５がら供給電流信号（Ｓ　Ｂ）が
入力されており、フィードバック回路２５は電動機２２
に実際に供給されている電流を検出し、この供給電流に
応じた周波数および振幅を有する供給電流信号（Ｓ　Ｂ
）を出力している。コンパレータ２４は第４図に詳細を
示すように、オペアンプ２６と、オペアンプ２６のそれ
ぞれの入力端子に接続された抵抗（Ｒ４）（Ｒ５）と、
オペアンプ２６のプラス入力に正帰還をがけてオペアン
プ２６にヒステリシス特性をもたせる正帰還回路２７と
、から構成され、正帰還回路２７によるオペアンプ２６
の正帰還量は電流センサ（作動状態検出手段）２８によ
って変えられるようになっている。電流セン−！ｌ−２
８は電動機２２に供給される電流（この電流は後述する
インバータ回路の作動状態に対応している）を検出しく
第３図参照）、該電流の大きさに基づいて正帰還回路２
７を制御してオペアンプ２６の正帰Ｍｍを変えオペアン
プ２６のヒステリシス特性を変える。この場合、電流セ
ンサ２８は電動機２２に供給される電流が大きくなると
、正帰還回路２７による正帰還量を増加させオペアンプ
２６のヒステリシス特性におレノるそのヒステリシス幅
（ＨＹ）を大きくする。なお、ヒステリシス幅（Ｉ（Ｙ
）とは、一般的な比較回路におけるいわゆる不感帯幅の
ことで、比較回路に正帰還をかけると不感帯幅をもたせ
ることができ、またその正帰還量を変えることにより不
感帯幅の大きさを変えることができるのは周知のことで
あり細部説明は省略する。オペアンプ２６のプラス端子
には目標電流信号（Ｓ　ｉ’）が、マイナス端子には供
給電流信号（Ｓ　Ｂ）がそれぞれ入力されており、オペ
アンプ２６はこれらの各信号（ＳＴ）（ＳＢ）を比較し
所定のヒステリシス幅（ＨＹ）で応答して制御信号（Ｓ
Ｃ）を出力する。すなわち、オペアンプ２６はＳＢ＞Ｓ
Ｔ＋ＨＹ（７）とき（Ｌ）信号、ＳＢ＜５Ｔ−ＨＹのと
き（Ｈ）信号となる制御信号（ＳＣ）をインバータ回路
（電流供給手段）２９に出力する。なお、制御信号（Ｓ
　Ｃ）の（Ｈ’ｌ信号〜（Ｌ）信号量切換周波数（すな
わち、スイッチング周波数）はヒステリシス幅（ＨＹ）
の大きさによって決定され、このスイッチング周波数は
実際上約ＩＫＩＩｚ程度でありオペアンプ２６に入力さ
れる上記各信号（ＳＴ）（ＳＢ）の周波数（例えば、数
１０１１Ｚ程度）に比して格段に高い。

再び第３図において、インバータ回路２９はパワートラ
ンジスタ、サイリスク等のパワー素子により構成され、
所定の直流電圧を供給するバッテリ３０に接続されてい
る。このインバータ回路２９はバッテリ３０からの直流
電流（電源電流）を制御信号（Ｓ　Ｃ）に基づいてパワ
ー素子をスイッチング制御（オン・オフ制御）すること
により、前記トルク指令（ＴＲ）に対応する交流電流（
例えば、３相交流電流）に変換し電動機２２に交流電流
として供給する。そして、インバータ回路２９は電動ｔ
ａ２２に供給する交流電流を前記目標電流信号（ＳＴ）
に対応する周波数および振幅を有するように制御する。

なお、実際上電動機２２に供給される交流電流は擬似正
弦波となる。電動ｆｉ２２は、例えば交流誘導電動機、
同期電動機、無整流子電動機等交流での使用が可能なも
のであればよい。この電動ＩＪＪ１２２は車両に搭載さ
れ、インバータ回路２９から供給される交流電流に応じ
た駆動トルク（出力）で車両を走行させる。

次に作用を説明する。

一般に、前述した交流電動機の場合、その出力は供給す
る電流の大きさを制御することにより、また速度（回転
数）は供給する交流電流の周波数を制御することにより
変えることができる。

いま、運転者によるアクセル２夏の操作によって電動機
２２の目標出力（すなわち、車両の走行速度）が設定さ
れると、この目標出力に対応する目標電流信号（ＳＴ）
と、実際に電動機２２に供給されている電流に対応する
供給電流信号（Ｓ　Ｂ）とがコンパレータ２４で比較さ
れる。その比較結果に基づく制御信号（ＳＣ）によって
インバータ回路２９がパワー素子をオペアンブルのヒス
テリシス幅（ＨＹ）で決るスイッチング周波数でスイッ
チング制御し、電動機２２に供給する交流電流の周波数
および大きさが目標出力に対応したものとなるようにフ
ィードバック制御する。そして、電動機２２はインバー
タ回路２９からの交流電流によって駆動され、その出力
が品に目標出力に合致するように制御される。これによ
り、運転者のアクセル２１操作に対応して電動機２２の
出力が制御され、車両をアクセル２１の操作量に応じて
走行させることができる。

上記の場合、インバータ回路２９におけるパワー素子の
スイッチング周波数は電動機２２への供給電流の大小に
拘らずオペアンプ２６のヒステリシス幅（ＨＹ）によっ
て一義的に決定される。

そして、電動機２２への供給電流はアクセル２１の操作
量に対応しており、アクセル２１による目標出力が大き
く設定されると、電動機２２への供給電流は大きくなる
。さらに、この供給電流はインバータ回路２９における
パワー素子の作動状態と密接な相関関係を有している。

なお、パワー素子の作動状態とは、パワー素子のスイッ
チング時における素子自体の状態のことで、例えばパワ
ー素子の負荷に対する通電状態あるいは素子自体の温度
状態等のことである。したがって、供給電流が大きくな
ると、パワー素子に通電される電流が大きくなり、パワ
ー素子のスイッチング時の負担が大きくなるとともに、
電流による発熱量が多くなって素子自体の温度が上昇す
る。なお、パワー素子の作動状態は上記供給電流に限ら
ず、例えば上述したようにアクセル２１の操作量あるい
はパワー素子の温度等とも密接な相関関係がある。

然るに、本実施例では電動機２２への供給電流が大きく
なると、電流センサ２８が該供給電流の大きさに応じて
オペアンプ２６のヒステリシス幅（ＨＹ）を大きくする
。ヒステリシス幅（ＨＹ）が大きくなると、オペアンプ
２６のいわゆる不感帯幅が大きくなるためパワー素子の
スイッチング周波数が低下する。スイッチング周波数の
低下によりパワー素子はその大きい供給電流を少ないオ
ン・オフ回数で制御することとなり、パワー素子のスイ
ッチング時の負担が軽減するとともに、その温度上昇を
低（抑えることができる。ここで、パワー素子のスイッ
チング時の負担について説明すると、例えばサイリスク
を西いスイッチング周波数で使用する場合、商用周波数
では無視できたターンオン損失や、ターンオフ時の転流
損失が無視できなくなり、それらの損失分を加味した電
流定格（いわゆる高周波電流定格）を考慮する必要があ
る。すなわち、大電流を高いスイッチング周波数でオン
・オフ制御する場合には、該サイリスクの負担が大きく
なるといえよう。また、サイリスクの電流定格には上記
高周波電流定格のほかに、臨界ＯＮ電流上昇率（ｃＨ−
ｒ　　／ｄｔ）　　（ただし、ｉ−ｒはサイリスクに流
れる電流）という重要な定格がある。このｄ工Ｔ／ｄｔ
はサイリスクに流れる電流の許容上昇率であり、使用に
際してはこの上昇率を考慮するとともに、この上昇率で
どのくらいの電流値まで電流が上昇するかを充分に考慮
する必要がある。したがって、大電流を高いスイッチン
グ周波数でオン・オフ制御すると、サイリスクの負担が
多くなり破損等を招きやすく信頼性の低下につながる。

上述したように、本実施例ではパワー素子が制御する電
流の大きさに応じてスイッチング周波数が変わるため、
大電流時においてもパワー素子の作動が安定し、その信
頼性を向上させることができる。

第５図は本発明の第２実施例を示す図である。この実施
例では、コンパレータ４１の構成が前記第１実施例と異
なる。すなわち、正帰還回路４２がオペアンプ２６の入
力に正帰還をがける直列接続された抵抗（Ｒ６）（Ｒ７
）によって構成され、これらの抵抗（Ｒ６）（Ｒ７）の
直列接続点とアース間にパワー素子（すなわち、インバ
ータ回路２９）の作動状態を検出するトリマポテンシｇ
（作動状態検出手段）４３が介挿されている。トリマボ
テンシ＝Ｉ４３はアクセル２１と機械的に連動しており
、アクセル２１操作量に応じて（ずなわち、電動ｔａ２
２の目標出力に応じて）その抵抗値を変えオペアンプ２
６のヒステリシス幅（Ｈｙ）を変化させる。この場合、
トリマポテンショ４３ばアクセル２１操作量が大きくな
ると、その抵抗値が大きくなってオペアンプ２６の正帰
還量を増加させヒステリシス幅（ＨＹ）を大きくする。

その他は前記第１実施例と同様である。

したがっ°Ｃ、アクセル２１操作量を検出することによ
り、該操作量と相関関係を有するパワー素子の作動状態
が間接的に検出され、この検出結果に基づいてオペアン
プ２Ｇのヒステリシス幅（ＨＹ）を変化させることがで
きる。その結果、前記第１実施例と同様に電動機２２へ
の供給電流が大きくなると、パワー素子のスイッチング
周波数が低下してパワー素子の負担や温度を低減して、
その信頼性の低下を防止することができる。

第６．７図は本発明の第３実施例を示す図である。この
実施例では作動状態検出手段がインバータ回路２９を構
成するパワー素子の温度を検出する温度センサ５１によ
って構成されている。

この温度センサ５１は、例えば温度により抵抗値の変化
するサーミスタ等からなり、前記第２実施例と同様の構
成であるコンパレータ４１のオペアンプ２６に正帰還を
かける抵抗（Ｒ６）（Ｒ７）の直列接続点とアース間に
介挿されている。

そして、温度センサ５１はパワー素子の温度を検出する
ことにより、その温度と相関関係を有するパワー素子の
作動状態を検出している。温度センサ５１はパワー素子
の温度が高くなると、その抵抗値が大きくなってオペア
ンプ２６の正帰還量を増加させヒステリシス幅（ＨＹ）
を大きくする。その他は前記第２実施例と同様である。

したがって、この実施例においても前記各実施例と同様
の効果を得ることができる他、パワー素子各部の異品状
態における発熱あるい【↓周囲温度の高温化に対しても
適切に対処してパワー素子の信頼性を向上させることが
できる。

なお、上述した各実施例は電源電流とじて直流電流を用
いた例を示しているが、例えば電源電流として交流電源
を用いて周波数変換する場合にも勿論適用することがで
きる。

（効果） 本発明によれば、電源電流をスイッチングして交流電動
機に交流電流として供給する電流供給手段の作動状態に
応じて該電流供給手段のスイッチング周波数を変えるこ
とができ、電流供給手段の負担や温度上昇を低減してそ
の信頼性を向上させることができる。

また、第３実施例においては、電流供給手段各部の異常
状態における発熱あるいは周囲温度の高温化に対しても
適切に対処して電流供給手段の信頼性を向上させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１．２図は従来の電動機制御装置を示す図であり、第
１図はその全体構成図、第２図はそのコンパレークの詳
細を示す構成図、第３．４図は本発明の第１実施例を示
す図であり、第３図はその全体構成図、第４図はそのコ
ンパレータの詳細を示す構成図、第５図は本発明の第２
実施例を示ずそのコンパレータの詳細を示す構成図、第
６．７図は本発明の第３実施例を示す図であり、第６図
はその全体構成図、第７図はそのコンパレータの詳細を
示す構成図である。 ２１−−−−−−アクセル（出力設定手段）、２２−−
−−−電動機（交流電動機）、２３−−−−一電流指令
関数発生器（目標信号出力手段）、 ２４．４１−−−−−−コンパレータ（比較手段）、２
５−−−−フィードバック回路（電流検出手段）２８−
−−−一電流センサ（作動状態検出手段）、２９−−−
−インバータ回路（電流供給手段）、４３−−−−−−
　トリマポテンショ　（作動状態検出手段）、 ５１−・・一温度センサ（作動状態検出手段）。 特許出願人　　　　　　日産自動車株式会社代理人弁理
士　有我軍一部 第１図 第２図 第３図 どＮ 第６図 引 至 一口 第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 交流電動機の目標出力を設定する出力設定手段と、該目
   標出力に基づいて交流電動機に供給する電流の目標電流
   信号を出力する目標信号出力手段と、交流電動機への供
   給電流を検出し供給電流信号を出力する電流検出手段と
   、供給電流信号と目標電流信号とを比較し所定のヒステ
   リシス幅で応答して高いスイ・７チング周波数を有する
   制御信号を出力する比較手段と、電源電流と制御信号が
   入力され電源電流を制御信号に基づいてスイッチングし
   て交流電動機Ｇこ交流電流として供給する電流供給手段
   と、を備えた電動機制御装置において、前記電流供給手
   段の作動状態を検出する作動状態検出手段を設け、該作
   動状態検出手段の出力に基づいて前記比較手段のヒステ
   リシス幅を変化させるようにしたことを特徴とする電動
   機制御装置。