WO2015029480A1 - 過電流検出装置及び過電流検出方法 - Google Patents

Abstract

　本発明は、電動モータの駆動制御装置におけるインバータ回路の上流の過電流を検出する過電流検出装置及び過電流検出方法に関する。インバータ回路の上流にシャント抵抗を設けることなく過電流を検出し、回路基板の小型化を図る。過電流検出装置は、電動モータへ供給される相電流とインバータ回路の電源電圧とから電源ラインの電流値を算出し、電源ラインに接続された電子部品による降下電圧値から求めた電流値と該電源ラインの電流値とに基づいて過電流を検出する。

Description

過電流検出装置及び過電流検出方法

　本発明は、電動モータの駆動制御装置におけるインバータ回路の上流の過電流を検出する過電流検出装置及び過電流検出方法に関する。

　従来、電動モータの駆動制御装置の故障を検出する検出装置として、例えば特許文献１に、電流検出抵抗を用いるものが記載されている。特許文献１では、インバータ回路の上流と下流にそれぞれ電流検出抵抗を設け、これら電流検出抵抗の両端の電圧の変化により、インバータ回路における各経路の短絡あるいは地絡故障による過電流を検出している。

特開平６－２３３４５０号公報

　しかしながら、電流検出抵抗にシャント抵抗を用いると、母線電流を検出する上流側のシャント抵抗には大きな電流が流れるため、シャント抵抗のサイズが大きくなり実装面積が増大する。また、シャント抵抗を電流ラインに直列に挿入するので、電流容量を確保する必要があり、太い電源ラインの引き回しによる配線レイアウトの困難さから配線面積が増大する。このため、回路基板が大型化する、という問題がある。

　本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、インバータ回路の上流にシャント抵抗を設けることなく過電流を検出でき、回路基板の小型化を図れる過電流検出装置及び過電流検出方法を提供することにある。

　そのため、本発明の過電流検出装置及び過電流検出方法では、電動モータへ供給する相電流とインバータ回路の電源電圧とから電源ラインを流れる電流値を算出し、前記電源ラインに接続されている駆動制御装置用の電子部品による降下電圧値から求めた電流値と該電源ラインを流れる電流値とに基づいて過電流を検出する。

　本発明によれば、インバータ回路の電源ラインに設けられている駆動制御装置用の電子部品を用いて過電流を検出するので、インバータ回路の上流のシャント抵抗を不要にできる。電子部品の抵抗値のばらつき及び特性の変化は、電動モータへ供給する相電流と前記インバータ回路の電源電圧とから電源ラインを流れる電流値を算出し、この電流値と降下電圧値から求めた電流値とに基づき過電流を検出することで抑制できる。これによって、実装面積と配線面積の縮小化ができ、回路基板の小型化を図れる。

本発明の第１の実施形態に係る過電流検出装置を示しており、電動モータの駆動制御装置の回路図である。 図１に示した回路における過電流の検出動作を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る過電流検出装置を示しており、電動モータの駆動制御装置の回路図である。

　以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
　［第１の実施形態］
　図１に示す電動モータの駆動制御装置は、電動モータ１を駆動するインバータ回路２、インバータ回路２の各ＭＯＳＦＥＴ２１～２６をオン／オフ制御するインバータ駆動ＩＣ３、ＣＰＵ４、ＦＳ（フェイルセーフ）用リレー５、ノイズ除去用コイル（インダクタ）６、平滑コンデンサ７、及び直流電源８などを含んで構成されている。

　また、過電流検出装置は、降下電圧検出用のオペアンプ９、直流電源８の電源電圧をＣＰＵ４に入力するためのＩ／Ｆ（インターフェース）回路１０、相電流検出抵抗１１、及びオペアンプ１２などを備えている。そして、ＣＰＵ４により、オペアンプ９で検出したＦＳ用リレー５による降下電圧値、Ｉ／Ｆ回路１０を介して入力された直流電源８の電圧、及びオペアンプ１２で検出した相電流検出抵抗１１の両端の電位差に基づき、過電流を検出するための演算と判定を行うようになっている。

　インバータ回路２は、駆動ライン２Ｕ，２Ｖ，２Ｗを介して電動モータ１のＵ相、Ｖ相及びＷ相をそれぞれ相毎に駆動する３組の半導体素子を備えた３相ブリッジ回路構成になっている。本例では、各半導体素子がＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴ２１～２６で構成されている。
　ＭＯＳＦＥＴ２１，２４は、電源ライン２０と相電流検出抵抗１１の一端間にドレイン・ソース間の電流通路が直列接続され、共通接続点に上記駆動ライン２Ｕの一端が接続される。ＭＯＳＦＥＴ２２，２５は、電源ライン２０と相電流検出抵抗１１の一端間にドレイン・ソース間の電流通路が直列接続され、共通接続点に上記駆動ライン２Ｖの一端が接続される。また、ＭＯＳＦＥＴ２３，２６は、電源ライン２０と相電流検出抵抗１１の一端間にドレイン・ソース間の電流通路が直列接続され、共通接続点に上記駆動ライン２Ｗの一端が接続される。相電流検出抵抗１１の他端は、接地点（接地ライン）に接続されている。
　尚、各ＭＯＳＦＥＴ２１～２６のソース・ドレイン間に順方向に接続されているダイオードは、これらＭＯＳＦＥＴ２１～２６の寄生ダイオードである。

　上記インバータ回路２の上流の電源ライン２０と相電流検出抵抗１１の一端間には、平滑コンデンサ７が接続されている。この電源ライン２０には、直流電源８の正極から駆動制御装置用の電子部品であるＦＳ用リレー５、及びコイル６を介して電源が供給される。ＦＳ用リレー５の両端にはオペアンプ９の第１、第２入力端が接続され、その電位差、換言すれば降下電圧値が出力端からＣＰＵ４に供給される。更に、直流電源８の正極の電圧が、Ｉ／Ｆ回路１０を介してＣＰＵ４に入力されて電源電圧が測定される。相電流検出抵抗１１の両端には、オペアンプ１２の第１、第２入力端が接続され、その電位差が出力端からＣＰＵ４に供給される。

　ＣＰＵ４は、プログラムに従ってインバータ駆動用ＩＣ３に制御信号を供給する。インバータ駆動用ＩＣ３は、インバータ回路２中の各ＭＯＳＦＥＴ２１～２６のゲートにそれぞれ駆動信号を供給してオン／オフする。これによって、ＣＰＵ４は、電動モータ１の駆動を制御、例えばベクトル制御する。
　また、ＣＰＵ４は、オペアンプ１２で検出した電位差とＩ／Ｆ回路１０を介して供給された電源電圧とに基づき、インバータ回路２から電動モータ１へ供給される相電流を算出する。更に、ＣＰＵ４は、この相電流と電源電圧とから電源ライン２０に流れる電流値を算出する。そして、インバータ回路２の上流の電源ライン２０に接続されたＦＳ用リレー５による降下電圧値から求めた電流値の補正量を、上記電源ライン２０に流れる電流値（推定電流値）に基づいて算出し、算出した補正量で較正した電流値を基準の電流値として過電流を検出する。過電流の検出動作は、所定のタイミングで繰り返し、較正した電流値を前回の検出タイミングの電流値で更新する。

　次に、図１に示した装置による過電流検出動作、すなわち本発明の過電流検出方法について図２のフローチャートにより詳しく説明する。
　まず、電動モータの駆動制御装置であるシステムの起動時に、ＣＰＵ４でインバータ駆動ＩＣ３を制御して、ＭＯＳＦＥＴ２１～２６をオン／オフ制御し、電動モータ１に対してｄ軸通電を行う（ステップＳ１）。次に、電動モータ１にｄ軸電流を流したときの相電流検出抵抗１１の両端の電位差をオペアンプ１２で検出する。また、直流電源８の電圧をＩ／Ｆ回路１０によりＣＰＵ４に供給して電源電圧を測定する（ステップＳ２）。
　続いて、電位差と電源電圧とに基づいてＣＰＵ４で相電流を算出し、この相電流と電源電圧とからインバータ回路２の電源ライン２０に流れる電流の電流値を算出する（ステップＳ３）。
　そして、電動モータ１に規定の電流を流したときに、インバータ回路２の電源ライン２０に流れる電流値をＣＰＵ４内（ＣＰＵ４の外部でも良い）の記憶装置にマッピングする（ステップＳ４）。

　相電流を検出するのは、ＦＳ用リレー５で検出した電圧降下値が、このＦＳ用リレー５にどの程度の電流が流れているときのものか分からないので、この電流値を別の場所で測定した電流値から推定するためである。また、ｄ軸通電は、トルクを出して回転力を出さない通電方法であるので、ほぼ一定の電流が流れる。よって、ＣＰＵ４は、ＦＳ用リレー５の抵抗値のばらつき、及び特性の変化、例えば計時変化、温度変化、劣化などによる誤差分を較正用データとして予め記憶できる。

　電動モータ１の駆動制御を開始すると（ステップＳ５）、オペアンプ９でインバータ回路２の上流のＦＳ用リレー５（電子部品）の両端の電位差（降下電圧値）を検出し、ＣＰＵ４に供給する（ステップＳ６）。
　次のステップＳ７では、ＣＰＵ４により、ステップＳ６で検出した降下電圧値に基づき電源ライン２０の電流値を算出し、ステップＳ４でマッピングした電源ライン２０の電流値を用いて補正量を算出する。そして、算出した補正量によりステップＳ４でマッピングした電流値を更新する。

　ステップＳ８では、ステップＳ７でＣＰＵ４により算出した補正量で、降下電圧値から求めた電流値を較正する。この較正によって、降下電圧値から求められた電流値を、電源ライン２０の電流値（推定電流値）と等しく、あるいは推定電流値に近づけることができる。
　続いて、較正した電流値に基づき、ＣＰＵ４により電源ライン２０に流れている電流の過電流を検出する（ステップＳ９）。過電流の検出では、例えば電源ライン２０の電流値が、較正した電流値、あるいは予め設定した電流値よりも、所定値以上大きいか否か判定し（ステップＳ１０）、大きい場合に過電流と判定する。ＣＰＵ４で過電流を検出した場合には、電動モータ１の駆動を停止（ステップＳ１１）して終了し、検出しない場合には、ステップＳ５に戻って同様な動作を繰り返す。

　上記のような構成によれば、インバータ回路２の上流に設置されている駆動制御装置用の既設のＦＳ用リレー（電子部品）５を用いて降下電圧値を検出し、インバータ回路２の下流の相電流を検出してフィードバック制御して較正することで、ＦＳ用リレー５をシャント抵抗の代わりに使用することができる。これによって、インバータ回路２の上流にシャント抵抗を設けることなく、インバータ回路２の上流の地絡故障時に、ＦＳ用リレー５の降下電圧値から求められる電流値に基づき過電流を検出することができる。
　また、システム起動時に、電源ライン２０に規定の電流を流したときの電流値をマッピングし、ＦＳ用リレー５の降下電圧値から求めた、電源ライン２０に流れる電流値を較正するので、電子部品の抵抗値のばらつきによる影響を抑制できる。
　更に、電源ライン２０の電流値を較正後の電流値に更新するので、ＦＳ用リレー５の特性の変化、例えばリレー接点の接触位置の変化による抵抗値の変化、及び温度変化などの影響を抑制し、駆動制御装置用の既設の電子部品を用いても精度を確保できる。

　上述したように、本発明の過電流検出装置は、インバータ回路の上流にシャント抵抗を設ける必要がないので、実装面積と配線面積の縮小化ができる。車両用のＥＣＵ（Engine Control Unit）では、小型化のために回路基板の小型化が求められているが、上述したようにシャント抵抗を用いることなく過電流を検出できるので、車両用の電動モータの駆動制御装置に適用すれば、ＥＣＵの小型化とコスト低減が図れる。

　［第２の実施形態］
　図３に示す第２の実施形態では、インバータ回路２の上流の電子部品として、ノイズ除去用コイル６を用いるものである。ノイズ除去用コイル６の両端にオペアンプ９の第１、第２入力端を接続し、降下電圧値を検出する。
　他の基本的な構成は第１の実施形態と同様であるので、図１と同一部分に同じ符号を付して、その詳細な説明は省略する。

　上記のような構成であっても、基本的には第１の実施形態と同様であり、インバータ回路２の上流にシャント抵抗を設けることなく過電流を検出できる。シャント抵抗を必要としないことで実装面積と配線面積の縮小化ができ、回路基板の小型化が図れる。これによって、車両用の電動モータの駆動制御装置に適用した場合には、ＥＣＵの小型化とコスト低減が図れる。しかも、ノイズ除去用コイル６の抵抗値のばらつき、及び特性の変化、例えば温度変化などの影響も抑制できる。
　尚、ノイズ除去用コイル６は、リレーのようにオン／オフ動作で抵抗値が変化することはないので、予め抵抗値を測定して記憶装置に記憶しておき、検出した降下電圧値とこの抵抗値とに基づいて電源ライン２０の電流値を算出しても良い。

　本発明は、上述した第１、第２の実施形態に限定されるものではなく、種々変形して実施することが可能である。
　例えば、図２のステップＳ１において、ｄ軸通電を行う際、電流値の異なる電流を流し、二点の電流値を結ぶ直線のデータをマッピングデータとして使用することにより高精度化できる。３種類以上の異なる電流値の電流を流して各データを関連付けすることで、より高精度なマッピングも可能となる。

　また、システムの起動時に規定の電流値をマッピングするようにしたが、システム終了時に行っても良い。
　更に、駆動制御装置用の電子部品が、電源遮断部品（ＦＳ用リレー）とノイズ除去用コイルの場合について説明したが、これらに限られるものではなく、既設の他の電子部品を用いても良いのはもちろんである。

　１…電動モータ、２…インバータ回路、５…ＦＳ用リレー（電子部品）、６…ノイズ除去用コイル（電子部品）、８…直流電源、９，１２…オペアンプ、１０…Ｉ／Ｆ回路、１１…相電流検出抵抗、２０…電源ライン

Claims (16)

1. 　電動モータの駆動制御装置におけるインバータ回路の上流の過電流を検出する過電流検出装置であって、
   　前記電動モータへ供給される相電流と前記インバータ回路の電源電圧とから電源ラインを流れる電流値を算出し、前記電源ラインに接続されている駆動制御装置用の電子部品による降下電圧値から求めた電流値と前記電源ラインを流れる電流値とに基づいて過電流を検出する、過電流検出装置。
2. 　前記電子部品による降下電圧値から求めた電流値を、前記電源ラインを流れる電流値で較正し、前記電源ラインを流れる電流値を較正後の電流値で更新する、請求項１記載の過電流検出装置。
3. 　前記電子部品が、直流電源と前記インバータ回路の電源ラインとの間に接続される、請求項１記載の過電流検出装置。
4. 　前記電子部品が、前記電動モータまたは前記駆動制御装置の故障時に、前記インバータ回路への電源の供給を停止する電源遮断部品、またはノイズ除去用コイルである、請求項３記載の過電流検出装置。
5. 　前記電子部品が、前記電動モータまたは前記駆動制御装置の故障時に、前記インバータ回路への電源の供給を停止する電源遮断部品、及び前記ノイズ除去用コイルを含み、前記電源遮断部品及び前記ノイズ除去用コイルは、直流電源と前記インバータ回路の電源ラインとの間に直列接続され、一方から前記降下電圧値が検出される請求項３記載の過電流検出装置。
6. 　前記インバータ回路は、駆動ラインを介して前記電動モータのＵ相、Ｖ相及びＷ相をそれぞれ相毎に駆動する３相ブリッジ回路構成である、請求項１記載の過電流検出装置。
7. 　前記インバータ回路を制御するインバータ駆動ＩＣと、過電流を検出するための演算と判定を行い、前記インバータ駆動ＩＣを制御するＣＰＵとを更に備える、請求項１記載の過電流検出装置。
8. 　直流電源の電圧を前記ＣＰＵに供給するインターフェース回路と、前記電子部品による降下電圧値を検出し、前記ＣＰＵに供給する第１のオペアンプと、前記インバータ回路の下流と接地ライン間に接続された相電流検出抵抗と、前記相電流検出抵抗の両端の電位差を検出して前記ＣＰＵに供給する第２のオペアンプと、を更に備える、請求項７記載の過電流検出装置。
9. 　電動モータの駆動制御装置におけるインバータ回路の上流の過電流を検出する過電流検出方法であって、
   　前記インバータ回路における上流の駆動制御装置用の電子部品による降下電圧値を検出し、
   　前記電動モータへ供給される相電流、及び前記インバータ回路に印加される電源電圧を検出し、
   　前記相電流と前記電源電圧から電源ラインの電流値を推定し、
   　前記降下電圧値と前記推定電流値に基づいて補正量を算出し、
   　前記降下電圧から求められる電流値を前記補正量で補正し、
   　補正した前記電流値を基準にして過電流を検出する、過電流検出方法。
10. 　前記降下電圧値から求めた電流値を、前記電源ラインを流れる電流値で較正し、前記電源ラインを流れる電流値を較正後の電流値で更新するステップを更に備え、前記較正した電流値に基づき、前記電源ラインに流れている電流の過電流を検出する、請求項９記載の過電流検出方法。
11. 　前記降下電圧値から求めた電流値を、前記電源ラインを流れる電流値で較正し、前記電源ラインを流れる電流値を較正後の電流値で更新するステップは、以下のステップを含む請求項１０記載の過電流検出方法、
    　前記電動モータに規定の電流を流し、
    　前記インバータ回路の前記電源ラインに流れる電流値を記憶装置にマッピングし、
    　前記マッピングした電源ラインの電流値を用いて補正量を算出し、
    　算出した補正量によりマッピングした電流値を更新する。
12. 　前記降下電圧値から求めた電流値を、前記電源ラインを流れる電流値で較正し、前記電源ラインを流れる電流値を較正後の電流値で更新するステップは、所定のタイミングで繰り返し、較正した電流値を前回の検出タイミングの電流値で更新する、請求項１０記載の過電流検出方法。
13. 　前記補正した前記電流値を基準にして過電流を検出するステップは、前記補正した電流値が設定した電流値より大きいか否か判定し、前記設定した電流値より大きい場合に過電流と判定する、請求項９記載の過電流検出方法。
14. 　前記降下電圧値から求めた電流値を、前記電源ラインを流れる電流値で較正するステップと、前記電源ラインを流れる電流値を較正後の電流値で更新するステップとを更に備え、前記電源ラインの電流値が、前記較正した電流値よりも所定値以上大きいか否か判定し、所定値以上大きい場合に過電流と判定する、請求項９記載の過電流検出方法。
15. 　以下のステップを更に備える請求項９記載の過電流検出方法、
    　システム起動時またはシステム終了時に、前記電動モータに対してｄ軸通電を行い、
    　前記電動モータにｄ軸電流を流したときに、前記インバータ回路と接地ラインとの間に接続された相電流検出抵抗の両端の電位差を検出し、
    　前記インバータ回路に印加されている電源電圧を検出する。
16. 　以下のステップを更に備える請求項１５記載の過電流検出方法、
    　前記インバータ回路の前記電源ラインに流れる電流値を記憶装置にマッピングする。

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