TWI670505B - 馬達變換器 - Google Patents

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井下優子
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日商豐田自動織機股份有限公司
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Abstract

本發明提供一種能夠容易地判定有無短路之馬達變換器。
微電腦60隨著鍵開關55之接通，將預充電驅動用元件51接通，使主電容器40之電壓上升至預先規定之能夠判定有無短路之電壓，藉此，若主電容器40積存電荷，根據於將預充電驅動用元件51斷開之狀態下使變換器電路20之開關元件S1~S6進行開關動作時流通於變換器電路20之電流及主電容器40之電壓之至少一者，而判定有無相間短路。

Description

馬達變換器
本發明係關於一種馬達變換器。
關於具備預充電電路之馬達變換器，於專利文獻1中，係於預充電狀態下使變換器電路之開關元件進行開關動作，根據預充電狀態下使變換器電路之開關元件進行開關動作時流通於變換器電路之電流或電容器之電壓，來判定有無短路。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2014-87204號公報
不過，專利文獻1公開之技術係如本公報之圖5所示，會進行用於維持檢查電壓之處理，而需要用於上述處理之運算。尤其是，於具備預充電電路之馬達變換器中，判定有無短路時，若使用專利文獻1公開之方法，便需要等待預充電充分完成之時間，於希望儘快啟動可運轉狀態之情形時，受到該啟動時間限制。
本發明之目的在於提供一種能夠容易地判定有無短路之馬達變換器。
技術方案1之發明主要係關於一種馬達變換器，其具備：變換器電路，其具有橋接之複數個開關元件，輸入側連接直流電源且輸出側連接馬達之各相繞組，藉由上述開關元件之開關動作將上述馬達之各相繞組通電而驅動上述馬達；電容器，其並聯連接於上述變換器電路之輸入側；及預充電電路，其經由操作開關連接於上述直流電源，隨著上述操作開關之接通，於連接於上述變換器電路之輸入側與上述直流電源之間之主繼電器閉路之前先對上述電容器進行預充電；且上述馬達變換器具備：開閉機構，其設置於上述預充電電路中之向上述電容器儲存電荷之儲存線；控制機構，其隨著上述操作開關之接通，將上述開閉機構關閉，使上述電容器之電壓上升至預先規定之能夠判定有無短路之電壓，藉此，若上述電容器積存電荷，於打開上述開閉機構之狀態下使上述變換器電路之開關元件進行開關動作；以及判定機構，其根據於上述電容器積存電荷且上述開閉機構打開之狀態下由上述控制機構使上述變換器電路之開關元件進行開關動作時流通於上述變換器電路之電流及上述電容器之電壓之至少一者，而判定有無短路。
根據技術方案1之發明，藉由控制機構，隨著操作開關之接通將開閉機構關閉，使電容器之電壓上升至預先規定之能夠判定有無短路之電壓，藉此，若電容器積存電荷，於開閉機構打開之狀態下使變換器電路之開關元件進行開關動作。藉由判定機構，根據於電容器積存電荷且開閉機構打開之狀態下由控制機構使變換器電路之開關元件進行開關動作時流通於變換器電路之電流及電容器之電壓之至少一者，而判定有無短路。
藉此，能夠於打開開閉機構之狀態下判定有無短路，無需用於維持檢查電壓之處理，便能夠容易地判定有無短路。
如技術方案2記載般，於技術方案1之馬達變換器中，上述判定機構可根據上述電容器之電壓之下降程度而判定有無短路。此種情形時，能夠準確地判定有無短路。
如技術方案3記載般，於技術方案1或2之馬達變換器中，可進而具備重新預充電控制機構，該重新預充電控制機構於判定有無短路時上述電容器之電壓下降得低於閾值之情形時，將上述開閉機構關閉，再次對電容器進行預充電後將上述主繼電器閉路。此種情形時，能夠避免繼電器接點接通(閉路)時電容器突然流通大電流，從而保護電容器。
根據本發明，能夠容易地判定有無短路。
10‧‧‧馬達變換器
20‧‧‧變換器電路
30‧‧‧主繼電器
31‧‧‧繼電器接點
32‧‧‧繼電器線圈
35‧‧‧電源電路
36‧‧‧二極體
37‧‧‧二極體
38‧‧‧主繼電器驅動用元件
39‧‧‧電阻
40‧‧‧主電容器
50‧‧‧預充電電路
51‧‧‧預充電驅動用元件
52‧‧‧預充電電阻
53‧‧‧二極體
55‧‧‧鍵開關
60‧‧‧微電腦
61‧‧‧電壓檢測電路
62‧‧‧電壓檢測電路
65‧‧‧U相電流感測器
66‧‧‧W相電流感測器
70‧‧‧電池
80‧‧‧馬達
81‧‧‧繞組
82‧‧‧繞組
83‧‧‧繞組
D1‧‧‧反饋二極體
D2‧‧‧反饋二極體
D3‧‧‧反饋二極體
D4‧‧‧反饋二極體
D5‧‧‧反饋二極體
D6‧‧‧反饋二極體
S1‧‧‧開關元件
S2‧‧‧開關元件
S3‧‧‧開關元件
S4‧‧‧開關元件
S5‧‧‧開關元件
S6‧‧‧開關元件
S100~S203‧‧‧步驟
圖1係實施形態之馬達變換器之電路構成圖。
圖2係用於說明馬達變換器之作用之流程圖。
圖3係用於說明馬達變換器之作用之流程圖。
圖4係表示電容器電壓、預充電驅動用元件、診斷模式之時序圖。
圖5係表示用於說明另一例之電容器電壓、預充電驅動用元件、診斷模式之時序圖。
圖6係表示用於對比之電容器電壓、預充電驅動用元件、診斷模式之時序圖。
以下，按照圖式來說明將本發明具體化之一實施形態。
如圖1所示，馬達變換器(兩相變換器)10具備變換器電路20、及微電腦60。於變換器電路20之輸入側連接作為直流電源之電池70，且於輸出 側連接馬達80。馬達80係使用3相交流馬達。馬達80具有繞組81、82、83，馬達80之各相繞組81、82、83連接於變換器電路20之輸出側。
變換器電路20設有作為馬達驅動用元件之6個開關元件S1~S6。各開關元件S1~S6係使用IGBT(絕緣閘極雙極型電晶體)。再者，亦可使用功率MOSFET作為開關元件。各開關元件S1~S6上分別反並聯連接反饋二極體D1~D6。
於變換器電路20中，第1及第2開關元件S1、S2、第3及第4開關元件S3、S4、第5及第6開關元件S5、S6分別串聯連接。並且，第1、第3及第5開關元件S1、S3、S5連接於電池70之正極端子側，第2、第4及第6開關元件S2、S4、S6連接於電池70之負極端子側。
分別為構成U相用上下臂之開關元件S1、S2之間之連接點連接於馬達80之U相端子，構成V相用上下臂之開關元件S3、S4之間之連接點連接於馬達80之V相端子，構成W相用上下臂之開關元件S5、S6之間之連接點連接於馬達80之W相端子。如此，變換器電路20具有橋接之複數個開關元件S1~S6。第1開關元件S1係U相之上臂用開關元件，第2開關元件S2係U相之下臂用開關元件。第3開關元件S3係V相之上臂用開關元件，第4開關元件S4係V相之下臂用開關元件。第5開關元件S5係W相之上臂用開關元件，第6開關元件S6係W相之下臂用開關元件。
於變換器電路20與馬達80之間，設有U相電流感測器65及W相電流感測器66。U相電流感測器65及W相電流感測器66對供給至馬達80之3相電流Iu、Iv、Iw中之2相(本實施形態中，為U相及W相)之電流Iu、Iw之電流值進行檢測。
於變換器電路20之輸入側，主電容器40與電池70並聯連接。主電容 器40係將複數個電容器並聯連接而構成。第1、第3及第5開關元件S1、S3、S5連接於主電容器40之正極端子側，第2、第4及第6開關元件S2、S4、S6連接於主電容器40之負極端子側。
如此，於變換器電路20之輸入側，連接有並聯連接之電池70及主電容器40。即，於馬達變換器10具備之變換器電路20之輸入側，並聯連接主電容器40，利用該主電容器40使電池70之電源、電壓平滑化。
構成變換器之控制裝置之微電腦60具備記憶體，記憶體中記憶驅動馬達80所需之各種控制程式及其執行所需之各種資料、映射。
微電腦60上經由驅動電路(省略圖示)連接有各開關元件S1~S6之閘極。並且，利用微電腦60控制開關元件S1~S6，將電池70之直流變換成交流後供給至馬達80之各相繞組。藉此，驅動馬達80。又，於微電腦60上連接有U相電流感測器65及W相電流感測器66。微電腦60基於各電流感測器65、66之檢測信號，將控制馬達80變成目標輸出之控制信號經由驅動電路輸出至各開關元件S1~S6。並且，變換器電路20將自電池70及主電容器40供給之直流變換成適當頻率之3相交流，並供給至馬達80之各相繞組。即，藉由開關元件S1~S6之開關動作，馬達80之各相繞組通電，可驅動馬達80。
於電池70之正極端子與主電容器40及變換器電路20之間之電源線上設有主繼電器30。即，於變換器電路20之輸入側與電池70之間連接有主繼電器30。主繼電器30具備繼電器接點31與繼電器線圈32，繼電器接點31插入至電池70之正極端子與主電容器40及變換器電路20之間之電源線。並且，藉由使繼電器線圈32通電，繼電器接點31關閉。繼電器線圈32之一端連接於電源電路35，且繼電器線圈32之另一端經由主繼電器驅 動用元件(電晶體)38及電阻39而接地。主繼電器驅動用元件(電晶體)38之閘極連接於微電腦60，若藉由微電腦60將主繼電器驅動用元件(電晶體)38接通，則繼電器線圈32激磁。藉此，主繼電器30之繼電器接點31關閉。
又，馬達變換器10具備預充電電路50。預充電電路50具備預充電驅動用元件(電晶體)51、預充電電阻52及二極體53。預充電驅動用元件(電晶體)51、預充電電阻52及二極體53串聯連接。預充電驅動用元件(電晶體)51之一端經由鍵開關55與電池70之正極端子連接，且預充電驅動用元件(電晶體)51之另一端經由預充電電阻52與二極體53之陽極連接。二極體53之陰極與主繼電器30與主電容器40之間之連接點A連接。並且，藉由於鍵開關55關閉之狀態下接通預充電驅動用元件(電晶體)51，能夠藉由電池70通過鍵開關55、預充電驅動用元件(電晶體)51、預充電電阻52、二極體53對主電容器40進行預充電。如此，預充電電路50係經由作為操作開關之鍵開關55而連接於電池70，隨著鍵開關55之接通，用以於主繼電器30閉路之前先對主電容器40進行預充電者。
對電源電路35可藉由二極體36通過主繼電器30供給電池70之電力，且可藉由二極體37通過鍵開關55供給電池70之電力。
藉由電壓檢測電路61檢測主繼電器30與主電容器40之間之電位，將其結果發送至微電腦60，於微電腦60上偵測主電容器40之兩端電壓(電容器電壓)。又，藉由電壓檢測電路62檢測鍵開關55與預充電驅動用元件(電晶體)51之間之電位，將其結果發送至微電腦60，於微電腦60上偵測鍵開關55之接通/斷開狀態。
根據本實施形態，預充電驅動用元件51作為設於預充電電路50之向主電容器40儲存電荷之儲存線上之開閉機構發揮功能。即，馬達變換器 10具備作為設於預充電電路50之向主電容器40儲存電荷之儲存線之開閉機構之預充電驅動用元件51。
其次，對馬達變換器10(控制裝置)之作用進行說明。
首先，對無相間短路之正常時之馬達之控制動作進行說明。
微電腦60將開關元件S1、S4、S6同時接通而流通U相電流Iu。又，將開關元件S3、S2、S6同時接通而流通V相電流Iv。進而，將開關元件S5、S2、S4同時接通而流通W相電流Iw。如此，馬達變換器10之動作係為，自電池70(主電容器40)輸入直流電壓，將橋接之開關元件S1~S6接通、斷開，隨著上述接通、斷開動作，輸出側之馬達80通電。此時，微電腦60以流通各相所需電流之方式進行調整。若正常動作結束，微電腦60將主電容器40儲存之電荷流入馬達80之繞組而釋出(放電)。
接著，對隨著鍵開關55之接通進行之相間短路之有無判定處理進行說明。
微電腦60執行圖2所示之處理。
圖2中，微電腦60於步驟S100中判定鍵開關55是否接通，若鍵開關55接通則進行至步驟S101。於圖4中，t1之時序表示鍵開關55接通之狀況。圖2中，微電腦60於步驟S101中接通預充電驅動用元件51。藉此，於圖4中，t1之時序以後，主電容器40之電壓不斷上升。之後，圖2中，微電腦60進行至步驟S102。微電腦60於步驟S102中判定主電容器40之電壓是否以達到閾值。若主電容器40之電壓未達到閾值，則微電腦60返回到步驟S101中。
圖4中，t2之時序表示主電容器40之電壓已達到閾值之狀況。圖2中，於步驟S102中若主電容器40之電壓達到閾值，則微電腦60進行至步 驟S103，將預充電驅動用元件51斷開。
即，隨著作為操作開關之鍵開關55接通，將預充電驅動用元件51接通(閉合)，使主電容器40之電壓上升至預先規定之能夠判定有無短路之電壓(閾值)，若主電容器40積存電荷，則變成預充電驅動用元件51斷開之狀態(打開狀態)。
之後，微電腦60進行至步驟S104，設定診斷模式，進行相間短路之有無判定。圖4中，t2~t3之期間係診斷模式啟用之狀態，診斷模式啟用之狀態下，預充電驅動用元件51斷開。
如此，根據於主電容器40積存電荷且預充電驅動用元件51斷開之狀態(打開狀態)下由作為控制機構之微電腦60使變換器電路20之開關元件S1~S6進行開關動作時流通於變換器電路20之電流及主電容器40之電壓之至少一者，來判定有無相間短路。流通於變換器電路20之電流可用電流感測器65、66檢測，主電容器40之電壓可用電壓檢測電路61檢測。又，微電腦60可根據主電容器40之電壓之下降程度來判定有無相間短路。
於診斷模式中，微電腦60執行圖3所示之處理。
圖3中，微電腦60於步驟S200中控制開關元件S1~S6，於步驟S201中判定主電容器40之電壓之下降量是否於特定範圍內。或者，微電腦60於步驟S201中檢測流通於變換器電路20之電流，並判定檢測電流是否於特定範圍內。
若於步驟S201中主電容器40之電壓之下降量於特定範圍內、或者檢測電流於特定範圍內，則微電腦60於步驟S202中判定為正常。若判定為正常，則微電腦60對應接通主繼電器30之主繼電器驅動用元件38啟用主繼電器驅動輸出。此時，主電容器40被充電，所以不增加衝擊電流，從而 可以將主繼電器30關閉。
另一方面，若於步驟S201中主電容器40之電壓之下降量超出特定範圍、或者檢測電流超出特定範圍，則微電腦60於步驟S203中判定為異常。
說明有無相間短路之判定處理之例子。
按以下方式進行輸出端子間之馬達變換器10之外部之V相-U相間、V相-W相間之短路之檢查。微電腦60對U相上臂之開關元件S1施加脈衝，將U相下臂之開關元件S2斷開，將V相上臂之開關元件S3斷開，將V相下臂之開關元件S4接通，將W相上臂之開關元件S5斷開，將W相下臂之開關元件S6接通。藉此，設為自U相之上臂(開關元件S1)通過馬達80流通電流之狀況。並且，若主電容器40之電壓之下降量超出特定範圍，或者檢測電流超出特定範圍，則微電腦60判定為異常。即，可發現U-V間之端子間短路(外部短路)，或者U-W間之端子間短路(外部短路)。以此方式檢測出異常時進行警報等。
按以下方式進行輸出端子間之馬達變換器10之外部之V相-U相間、V相-W相間之短路之檢查。微電腦60將U相上臂之開關元件S1斷開，將U相下臂之開關元件S2接通，對V相上臂之開關元件S3施加脈衝，將V相下臂之開關元件S4斷開，將W相上臂之開關元件S5斷開，將W相下臂之開關元件S6接通。藉此，設為自V相之上臂(開關元件S3)通過馬達80流通電流之狀況。並且，若主電容器40之電壓之下降量超出特定範圍，或者檢測電流超出特定範圍，則微電腦60判定為異常。即，可發現V-U間之端子間短路(外部短路)，或者V-W間之端子間短路(外部短路)。以此方式檢測到異常時進行警報等。
按以下方式進行輸出端子間之馬達變換器10之外部之W相-U相間、W相-V相間之短路之檢查。微電腦60將U相上臂之開關元件S1斷開，將U相下臂之開關元件S2接通，將V相上臂之開關元件S3斷開，將V相下臂之開關元件S4接通，對W相上臂之開關元件S5施加脈衝，將W相下臂之開關元件S6斷開。藉此，設為自W相之上臂(開關元件S5)通過馬達80流通電流之狀況。並且，若主電容器40之電壓之下降量超出特定範圍，或者檢測電流超出特定範圍，則微電腦60判定為異常。即，可發現W-U間之端子間短路(外部短路)，或者W-V間之端子間短路(外部短路)。以此方式檢測到異常時進行警報等。
如此，如圖4所示於電池電壓與電容器電壓之電位差例如為5V左右之狀態下，可停止預充電，而移至相間短路檢查(判定有無相間短路)，從而能夠縮短預充電時間。
即，斷開預充電驅動用元件51而將預充電電阻52設為非通電狀態，根據檢查中流通之電流及主電容器40之電壓下降量之至少一者而判斷是否相間短路(進行相間短路之有無判定)。又，由於預充電驅動用元件51為斷開，且為將繼電器接點31接通(閉路)之前，故藉由主電容器40中殘留之電荷而向馬達80側流通檢查電流。
以下，詳細地進行說明。
如圖4所示，於電池電壓(例如36V)與電容器電壓之電位差例如為5V之狀態、即電容器電壓例如為31V之狀態下，判斷成為能夠判斷有無相間短路之狀態，將預充電驅動用元件51斷開而結束預充電。並且，開始相間短路檢查(相間短路之有無判定)。此時，根據施加電流等假定之電壓下降量，可以藉由與根據主電容器40之電容、馬達之繞組81、82、83之電 阻值決定之值進行對比來判定良否。即，實際流通於馬達之電流、或電壓下降量超過閾值時判定為異常。
圖6係比較例。
圖6中，需要等待預充電充分完成之時間(例如2秒鐘)，於希望儘快啟動可運轉狀態之情形時，受到該啟動時間限制。另一方面，若預充電中設定診斷模式，會於預充電充分完成之前開始診斷。結果，於主電容器40之電壓上升進行過程中流通電流，要獲得特定之電壓下降量需要花費一定時間。取而代之地，若於預充電中將主電容器(電解電容器)40之電壓保持固定之狀態下進行判定，則用於判定有無相間短路之電壓變動較小。
相對於此，於本實施形態中，可以於鍵開關55接通後，快速地於短時間內進行相間短路檢查(相間短路之有無判定)。又，由於將主電容器40與電池70遮斷，所以能夠準確地利用電壓下降量進行馬達相間短路之檢測(相間短路之有無判定)。
根據上述實施形態，能夠獲得如下效果。
(1)作為馬達變換器10之構成，作為控制機構之微電腦60隨著作為操作開關之鍵開關55接通，將預充電驅動用元件51接通(閉合)，使主電容器40之電壓上升至預先規定之能夠判定有無短路之電壓，若主電容器40積存電荷，則於預充電驅動用元件51斷開之狀態(打開狀態)下使變換器電路20之開關元件S1~S6進行開關動作。作為判定機構之微電腦60根據於主電容器40積存電荷且預充電驅動用元件51斷開之狀態(打開狀態)下由作為控制機構之微電腦60使變換器電路20之開關元件S1~S6進行開關動作時流通於變換器電路20之電流及主電容器40之電壓之至少一者，而判定有無相間短路。藉此，使用主電容器40殘留之電荷來判定馬達之相間短路之 有無(檢測有無異常)，所以能夠容易地判定有無相間短路。
(2)於預充電完成前將作為開閉機構之預充電驅動用元件51開路(斷開)之狀態下進行判定，藉此將作為操作開關之鍵開關55接通後能夠快速地判定有無短路。
(3)作為判定機構之微電腦60根據主電容器40之電壓之下降程度來判定有無相間短路，所以能夠準確地判定有無相間短路。
實施形態並不限定於上述說明，例如亦能夠按如下方式具體化。
○亦可僅監視電流來判定有無相間短路。又，亦可僅監視電壓下降量來判定有無相間短路。進而，還可監視電流與電壓兩方來判定有無相間短路。又，還能夠監視電流與電壓兩方來檢測電流或電壓任一個之異常。
○如圖5所示，構成還可具備作為重新預充電控制機構之微電腦60，上述重新預充電控制機構於判定有無相間短路時主電容器40之電壓下降得低於閾值(例如10V)之情形時，將作為開閉機構之預充電驅動用元件51接通(閉合)，再次對主電容器40進行預充電，然後將主繼電器30閉路。即，於判定有無相間短路時判定為正常但電壓過度下降之情形時，再次進行預充電，然後將繼電器接點31接通(閉路)。如此，當主電容器40之電壓過度下降時(例如下降到10V時)，判定有無相間短路後，於圖5之t10~t11期間再次進行預充電，然後將繼電器接點31接通(閉路)。如此，能夠避免繼電器接點31接通(閉路)時主電容器40突然流通大電流，從而能夠保護主電容器40。
○相間短路之有無判定時可到達電池電壓、亦可不到達電池電壓。
○至此為止之說明中，對判定有無相間短路之情形進行了說明，但亦可應用於在判定有無相間短路之前先判定有無開關元件之短路之情形。
總之，於判定有無短路時，隨著操作開關之接通，將開閉機構關閉，使電容器之電壓上升至預先規定之能夠判定有無短路之電壓，若電容器積存電荷，則根據於開閉機構打開之狀態下使變換器電路之開關元件進行開關動作時流通於變換器電路之電流及電容器之電壓之至少一者，而判定有無短路。

Claims (4)

  1. 一種馬達變換器，其特徵在於具備：變換器電路，其具有橋接之複數個開關元件，且包含：輸入及輸出，該輸入連接於直流電源，該輸出連接於馬達之各相繞組(multiphase windings)，藉由上述開關元件之開關動作，上述馬達之各相繞組通電而驅動上述馬達；電容器，其並聯連接於上述變換器電路之上述輸入；預充電電路，其包含：開閉機構，該開閉機構設置於儲存線(line)，電荷通過該儲存線而積存(accumulated)於上述電容器中，且該預充電電路經由操作開關(operational switch)連接於上述直流電源，隨著上述操作開關之接通(turn-on)，於連接於上述變換器電路之上述輸入與上述直流電源之間之主繼電器(main relay)閉路(closed)之前，先對上述電容器進行預充電；及微電腦，其構成為：隨著上述操作開關之接通，關閉(close)上述開閉機構，隨著判定電荷被積存於上述電容器中且上述電容器之電壓達到第1預定電壓值，打開上述開閉機構，及根據於電荷被積存於上述電容器中且打開了上述開閉機構時流通於上述變換器電路之電流及上述電容器之電壓之至少一者，而判定有無短路發生；其中隨著於判定有無上述短路發生時判定上述電容器之電壓下降至低於比上述第1預定電壓值小之第2預定電壓值，上述微電腦關閉上述開閉機構 以再次對上述電容器進行預充電。
  2. 如請求項1之馬達變換器，其中上述微電腦係：隨著上述電容器之電壓下降程度(voltage drop amount)小於預定之電壓下降程度，而判定上述短路沒有發生。
  3. 如請求項1之馬達變換器，其中上述微電腦僅根據流通於上述變換器電路之電流來判定有無上述短路發生。
  4. 如請求項1之馬達變換器，其中上述微電腦根據流通於上述變換器電路之電流及上述電容器之電壓兩者來判定有無上述短路發生。
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