WO2018092435A1

WO2018092435A1 - インバータ制御装置

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Publication number: WO2018092435A1
Application number: PCT/JP2017/035532
Authority: WO
Inventors: サハスブラタ; 島田有礼; 杉山裕樹; 小久保昌也
Original assignee: アイシン・エィ・ダブリュ株式会社
Priority date: 2016-11-21
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2018-05-24
Also published as: JP6711412B2; DE112017004726T5; JPWO2018092435A1; CN110063012A; CN110063012B; US10886867B2; US20190214933A1

Abstract

インバータ制御装置（２０）は、回転電機（８０）の回転中に異常が生じた場合（＃２０）に電機子電流の制御が可能であるか否かを判定する（＃２５）。インバータ制御装置（２０）は、制御可能と判定した場合（＃２５Ｙｅｓ）に、回転電機のトルクが所定トルク以下となるようにトルク指令（Ｔ＊）を設定して駆動電流（Ｉｑ）を減少させると共に、当該トルク指令（Ｔ＊）に基づくトルクを維持した状態で、アクティブショートサーキット制御の実行後の動作点に近づくように前記界磁電流（Ｉｄ）を制御する（＃３０）。インバータ制御装置（２０）は、その後、アクティブショートサーキット制御を開始する（＃６０）。

Description

インバータ制御装置

　本発明は、直流電源と交流の回転電機に接続されて直流と複数相の交流との間で電力を変換するインバータを制御するインバータ制御装置に関する。

　国際公開第２０１６／０７６４２９号（特許文献１）には、直流電源（１１）に接続されると共に交流の回転電機（８０）に接続されたインバータ（１０）を制御する制御装置（２０）が開示されている（背景技術の説明において括弧内に示す符号は、特許文献１のもの。）。この制御装置（２０）は、回転電機（８０）が高速回転しているときに異常が生じた場合に、アクティブショートサーキット制御を実行する。アクティブショートサーキット制御とは、複数相のアームの上段側及び下段側の何れか一方側のスイッチング素子（３）の全てをオン状態に制御し、他方側のスイッチング素子（３）の全てをオフ状態に制御する制御形態である。

　特許文献１では、回転電機（８０）が高速回転しているときに異常が生じた場合、常にアクティブショートサーキット制御を実行している。このため、回転電機（８０）により発電された電流の全てがインバータ（１０）と回転電機（８０）のコイルとを循環することにより、過電流が生じる虞があった。

国際公開第２０１６／０７６４２９号

　上記背景に鑑みて、回転電機が回転している状態で回転電機又はインバータに異常が生じた場合に過電流を抑制できるインバータ制御装置の実現が望まれる。

　１つの態様として、上記に鑑みたインバータ制御装置は、
　直流電源に接続されると共に交流の回転電機に接続されて直流と複数相の交流との間で電力を変換するインバータであって、交流１相分のアームが上段側スイッチング素子と下段側スイッチング素子との直列回路により構成された当該インバータを制御対象とし、
　前記回転電機の回転に同期して回転する２軸の直交座標系において、当該直交座標系の各軸に沿った界磁電流と駆動電流との合成ベクトルである電機子電流を制御して前記インバータを構成するスイッチング素子をスイッチング制御するインバータ制御装置であって、
　複数相の前記アームの前記上段側スイッチング素子及び前記下段側スイッチング素子の何れか一方の前記スイッチング素子の全てをオン状態に制御し、他方の前記スイッチング素子の全てをオフ状態に制御するアクティブショートサーキット制御を実行するものであり、
　前記回転電機が回転している状態で前記回転電機又は前記インバータに異常が生じた場合に、
　当該インバータ制御装置による前記電機子電流の制御が可能であるか否かを判定し、
　前記電機子電流を制御可能と判定した場合に、前記回転電機のトルクの絶対値が所定トルク以下となるようにトルク指令を設定して前記駆動電流を減少させると共に、当該トルク指令に基づくトルクを維持した状態で、前記アクティブショートサーキット制御の実行後の動作点に近づくように前記界磁電流を制御するトルク減少制御を実行した後に、前記アクティブショートサーキット制御を開始する。

　この構成によれば、回転電機が回転している状態で回転電機又はインバータに異常が生じた場合には、インバータ制御装置による電機子電流の制御が可能であるか否かが判定され、当該制御が可能と判定される場合に、回転電機のトルクが所定トルク以下となるように駆動電流が減少される。この制御の実行により駆動電流が減少した後は、回転電機から直流電源に回生される電流が小さくなる。その後、所定のタイミングで、アクティブショートサーキット制御が開始される。制御方式が切り換わる際には、インバータ及び回転電機に流れる電流に過渡的な振動が生じることがあるが、予めアクティブショートサーキット制御の実行後の動作点に近づくように界磁電流を制御しておくことにより、そのような振動の振幅を低減することができる。その結果、制御方式が切り換わる際の過電流の発生を抑制することができる。このように、本構成によれば、回転電機が回転している状態で回転電機又はインバータに異常が生じた場合に過電流を抑制することができ、モータの減磁を防ぎ、インバータ素子への負荷を低減できる。

　インバータ制御装置のさらなる特徴と利点は、図面を参照して説明する実施形態についての以下の記載から明確となる。

回転電機駆動装置のシステム構成を模式的に示すブロック図制御モードの遷移例を示すフローチャート制御モードの遷移例を電流の電流ベクトル空間上で模式的に示す説明図制御モードの遷移例を示す波形図制御モードの遷移例を電流の電流ベクトル空間上で模式的に示す説明図制御モードの他の遷移例を電流の電流ベクトル空間上で模式的に示す説明図制御モードの他の遷移例を電流の電流ベクトル空間上で模式的に示す説明図アクティブショートサーキット制御における通流経路の一例を示す図制御モードの他の遷移例を示すフローチャートパーシャルシャットダウン制御における通流経路の一例を示す図

　以下、インバータ制御装置の実施形態を図面に基づいて説明する。インバータ制御装置２０は、図１に示すように、インバータ１０を介して回転電機８０を駆動制御する。本実施形態では、インバータ１０と後述する直流リンクコンデンサ４（平滑コンデンサ）とを備えて、回転電機駆動装置１が構成されている。インバータ制御装置２０は、回転電機駆動装置１を介して回転電機８０を駆動制御すると言うこともできる。駆動対象の回転電機８０は、例えばハイブリッド自動車や電気自動車等の車両の駆動力源となる回転電機である。車両の駆動力源としての回転電機８０は、複数相の交流（ここでは３相交流）により動作する回転電機である。回転電機８０は、電動機としても発電機としても機能することができる。

　車両には、回転電機８０を駆動するための電力源として直流電源が搭載されている。直流電源は、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の二次電池（バッテリ）や、電気二重層キャパシタ等である。本実施形態では、回転電機８０に電力を供給するための大電圧大容量の直流電源として、例えば電源電圧が２００～４００［Ｖ］の高圧バッテリ１１が備えられている。回転電機８０は、交流駆動式であるから、高圧バッテリ１１と回転電機８０との間には、直流と交流（ここでは３相交流）との間で電力を変換するインバータ１０が備えられている。インバータ１０の直流側の正極電源ラインＰと負極電源ラインＮとの間の電圧は、以下“直流リンク電圧Ｖｄｃ”と称する。高圧バッテリ１１は、インバータ１０を介して回転電機８０に電力を供給可能であると共に、回転電機８０が発電して得られた電力を蓄電可能である。

　インバータ１０と高圧バッテリ１１との間には、インバータ１０の直流側の正負両極間電圧（直流リンク電圧Ｖｄｃ）を平滑化する平滑コンデンサ（直流リンクコンデンサ４）が備えられている。直流リンクコンデンサ４は、回転電機８０の消費電力の変動に応じて変動する直流電圧（直流リンク電圧Ｖｄｃ）を安定化させる。直流リンクコンデンサ４と高圧バッテリ１１との間には、直流リンクコンデンサ４から回転電機８０までの回路と、高圧バッテリ１１との電気的な接続を切り離すことが可能なコンタクタ９が備えられている。本実施形態において、このコンタクタ９は、車両の最も上位の制御装置の１つである車両ＥＣＵ（Electronic Control Unit）９０からの指令に基づいて開閉するメカニカルリレーであり、例えばシステムメインリレー（ＳＭＲ：System Main Relay）と称される。コンタクタ９は、車両のイグニッションスイッチ（ＩＧスイッチ）やメインスイッチがオン状態（有効状態）の際にＳＭＲの接点が閉じて導通状態（接続状態）となり、ＩＧキーがオフ状態（非有効状態）の際にＳＭＲの接点が開いて非導通状態（開放状態）となる。インバータ１０は、高圧バッテリ１１と回転電機８０との間にコンタクタ９を介して介在され、コンタクタ９が接続状態において高圧バッテリ１１とインバータ１０（及び回転電機８０）とが電気的に接続され、コンタクタ９が開放状態において高圧バッテリ１１とインバータ１０（及び回転電機８０）との電気的接続が遮断される。

　インバータ１０は、複数のスイッチング素子３を有して構成される。スイッチング素子３には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）やＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴ（Silicon Carbide - Metal Oxide Semiconductor FET）やＳｉＣ－ＳＩＴ（SiC - Static Induction Transistor）、ＧａＮ－ＭＯＳＦＥＴ（Gallium Nitride - MOSFET）等の高周波での動作が可能なパワー半導体素子を適用すると好適である。図１に示すように、本実施形態では、スイッチング素子３としてＩＧＢＴが用いられる。

　インバータ１０は、良く知られているように複数相（ここでは３相）のそれぞれに対応する数のアーム３Ａを有するブリッジ回路により構成される。つまり、図１に示すように、インバータ１０の直流正極側（直流電源の正極側の正極電源ラインＰ）と直流負極側（直流電源の負極側の負極電源ラインＮ）との間に２つのスイッチング素子３が直列に接続されて１つのアーム３Ａが構成される。３相交流の場合には、この直列回路（１つのアーム３Ａ）が３回線（３相）並列接続される。つまり、回転電機８０のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応するステータコイル８のそれぞれに一組の直列回路（アーム３Ａ）が対応したブリッジ回路が構成される。

　各相のスイッチング素子３による直列回路（アーム３Ａ）の中間点、つまり、正極電源ラインＰの側のスイッチング素子３（上段側スイッチング素子３Ｈ（３１，３３，３５）：図８等参照）と負極電源ラインＮ側のスイッチング素子３（下段側スイッチング素子３Ｌ（３２，３４，３６）：図８等参照）との接続点は、回転電機８０のステータコイル８（８ｕ，８ｖ，８ｗ：図８等参照）にそれぞれ接続される。尚、各スイッチング素子３には、負極“Ｎ”から正極“Ｐ”へ向かう方向（下段側から上段側へ向かう方向）を順方向として、並列にフリーホイールダイオード５が備えられている。

　図１に示すように、インバータ１０は、インバータ制御装置２０により制御される。インバータ制御装置２０は、マイクロコンピュータ等の論理回路を中核部材として構築されている。例えば、インバータ制御装置２０は、車両ＥＣＵ９０等の他の制御装置等から提供される回転電機８０の目標トルクＴＭに基づいて、ベクトル制御法を用いた電流フィードバック制御を行って、インバータ１０を介して回転電機８０を制御する。回転電機８０の各相のステータコイル８を流れる実電流は電流センサ１２により検出され、インバータ制御装置２０はその検出結果を取得する。また、回転電機８０のロータの各時点での磁極位置は、例えばレゾルバ等の回転センサ１３により検出され、インバータ制御装置２０はその検出結果を取得する。インバータ制御装置２０は、電流センサ１２及び回転センサ１３の検出結果を用いて、電流フィードバック制御を実行する。インバータ制御装置２０は、電流フィードバック制御のために種々の機能部を有して構成されており、各機能部は、マイクロコンピュータ等のハードウエアとソフトウエア（プログラム）との協働により実現される。

　車両には、高圧バッテリ１１の他に、高圧バッテリ１１とは絶縁され、高圧バッテリ１１よりも低電圧の電源である低圧バッテリ（不図示）も搭載されている。低圧バッテリの電源電圧は、例えば１２～２４［Ｖ］である。低圧バッテリは、インバータ制御装置２０や車両ＥＣＵ９０に、例えば電圧を調整するレギュレータ回路等を介して電力を供給する。車両ＥＣＵ９０やインバータ制御装置２０等の電源電圧は、例えば５［Ｖ］や３．３［Ｖ］である。

　ところで、インバータ１０を構成する各スイッチング素子３の制御端子（ＩＧＢＴの場合はゲート端子）は、ドライバ回路３０を介してインバータ制御装置２０に接続されており、それぞれ個別にスイッチング制御される。回転電機８０を駆動するための高圧系回路と、マイクロコンピュータ等を中核とするインバータ制御装置２０等の低圧系回路とは、動作電圧（回路の電源電圧）が大きく異なる。このため、各スイッチング素子３に対する駆動信号（スイッチング制御信号）の駆動能力（例えば電圧振幅や出力電流等、後段の回路を動作させる能力）をそれぞれ高めて中継するドライバ回路３０（制御信号駆動回路）が備えられている。低圧系回路のインバータ制御装置２０により生成されたスイッチング制御信号は、ドライバ回路３０を介して高圧回路系の駆動信号としてインバータ１０に供給される。ドライバ回路３０は、例えばフォトカプラやトランス等の絶縁素子やドライバＩＣを利用して構成される。

　インバータ制御装置２０は、インバータ１０を構成するスイッチング素子３のスイッチングパターンの形態（電圧波形制御の形態）として、少なくともパルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）制御と矩形波制御（１パルス制御）との２つの制御形態を有している。また、インバータ制御装置２０は、ステータの界磁制御の形態として、モータ電流に対して最大トルクを出力する最大トルク制御や、モータ電流に対して最大効率でモータを駆動する最大効率制御等の通常界磁制御、及び、トルクに寄与しない界磁電流（ｄ軸電流Ｉｄ）を流して界磁磁束を弱める弱め界磁制御や、逆に界磁磁束を強める強め界磁制御等の界磁調整制御を有している。

　上述したように、本実施形態では、回転電機８０の回転に同期して回転する２軸の直交ベクトル空間（直交座標系）における電流ベクトル制御法を用いた電流フィードバック制御を実行して回転電機８０を制御する。電流ベクトル制御法では、例えば、永久磁石による界磁磁束の方向に沿ったｄ軸（界磁電流軸、界磁軸）と、このｄ軸に対して電気的にπ／２進んだｑ軸（駆動電流軸、駆動軸）との２軸の直交ベクトル空間（ｄ－ｑ軸ベクトル空間）において電流フィードバック制御を行う。インバータ制御装置２０は、制御対象となる回転電機８０の目標トルクＴＭに基づいてトルク指令Ｔ^＊を決定し、ｄ軸電流指令Ｉｄ^＊及びｑ軸電流指令Ｉｑ^＊を決定する。

　そして、インバータ制御装置２０は、これらの電流指令（Ｉｄ^＊，Ｉｑ^＊）と回転電機８０のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相のコイルを流れる実電流（Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）との偏差を求めて比例積分制御演算（ＰＩ制御演算）や比例積分微分制御演算（ＰＩＤ制御演算）を行い、最終的に３相の電圧指令を決定する。この電圧指令に基づいて、スイッチング制御信号が生成される。回転電機８０の実際の３相空間と２軸の直交ベクトル空間との間の相互の座標変換は、回転センサ１３により検出された磁極位置θに基づいて行われる。また、回転電機８０の回転速度ω（角速度）や回転数ＮＲ［ｒｐｍ］は、回転センサ１３の検出結果より導出される。

　ところで、上述したように、本実施形態では、インバータ１０のスイッチング形態には、ＰＷＭ制御モードと矩形波制御モードとがある。ＰＷＭ制御は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相のインバータ１０の出力電圧波形であるＰＷＭ波形が、上段側スイッチング素子３Ｈがオン状態となるハイレベル期間と、下段側スイッチング素子３Ｌがオン状態となるローレベル期間とにより構成されるパルスの集合で構成されると共に、その基本波成分が一定期間で正弦波状となるように、各パルスのデューティーが設定される制御である。公知の正弦波ＰＷＭ（SPWM : Sinusoidal PWM）や、空間ベクトルＰＷＭ（SVPWM : Space Vector PWM）、過変調ＰＷＭ制御等が含まれる。本実施形態においては、ＰＷＭ制御では、直交ベクトル空間の各軸に沿った界磁電流（ｄ軸電流Ｉｄ）と駆動電流（ｑ軸電流Ｉｑ）との合成ベクトルである電機子電流を制御してインバータ１０を駆動制御する。つまり、インバータ制御装置２０は、ｄ－ｑ軸ベクトル空間における電機子電流の電流位相角（ｑ軸電流ベクトルと電機子電流ベクトルとの為す角）を制御してインバータ１０を駆動制御する。従って、ＰＷＭ制御は、電流位相制御とも称される。

　これに対して、矩形波制御（１パルス制御）は、３相交流電力の電圧位相を制御してインバータ１０を制御する方式である。３相交流電力の電圧位相とは、３相の電圧指令値の位相に相当する。本実施形態では、矩形波制御は、インバータ１０の各スイッチング素子３のオン及びオフが回転電機８０の電気角１周期に付き１回ずつ行われ、各相について電気角１周期に付き１パルスが出力される回転同期制御である。本実施形態においては、矩形波制御は、３相電圧の電圧位相を制御することによってインバータ１０を駆動するので、電圧位相制御と称される。

　また、上述したように、本実施形態では界磁制御の形態として、通常界磁制御と、界磁調整制御（弱め界磁制御、強め界磁制御）とを有している。最大トルク制御や最大効率制御等の通常界磁制御は、回転電機８０の目標トルクＴＭに基づいて設定される基本的な電流指令値（ｄ軸電流指令Ｉｄ^＊、ｑ軸電流指令Ｉｑ^＊）を用いた制御形態である。これに対して、弱め界磁制御とは、ステータからの界磁磁束を弱めるために、この基本的な電流指令値の内のｄ軸電流指令Ｉｄ^＊を調整する制御形態である。また、強め界磁制御とは、ステータからの界磁磁束を強めるために、この基本的な電流指令値の内のｄ軸電流指令Ｉｄ^＊を調整する制御形態である。弱め界磁制御や強め界磁制御等の際には、このようにｄ軸電流Ｉｄが調整されるが、ここでは、この調整値を界磁調整電流と称する。

　上述したように、回転電機８０は、目標トルクＴＭに応じてＰＷＭ制御や矩形波制御により駆動制御される。ところで、回転電機８０が駆動中に車両のＩＧスイッチ（メインスイッチ）がオフ状態となったり、例えば回転電機８０又はインバータ１０に異常が生じるなどして車両の安全を確保する必要が生じたりした場合には、ＳＭＲの接点が開放されて（コンタクタ９が開放されて）、高圧バッテリ１１とインバータ１０との電気的接続が遮断される。なお、ここで言う「異常」には、例えば過電流検出、過電圧検出、各種センサ異常、回転電機８０の温度異常、インバータ１０の温度異常、上位の制御ユニット（車両ＥＣＵ９０）からの停止指令、イグニッションオフ検知、及び車両の衝突検知等が含まれる。

　このため、コンタクタ９が開放状態となった場合には、インバータ１０を構成するスイッチング素子３の全てをオフ状態とするシャットダウン制御（ＳＤ制御）が実施される場合がある。シャットダウン制御が実施された場合、ステータコイル８に蓄積された電力が、フリーホイールダイオード５を介して直流リンクコンデンサ４に充電される。このため、直流リンクコンデンサ４の端子間電圧（直流リンク電圧Ｖｄｃ）が短時間で急激に上昇するおそれがある。直流リンク電圧Ｖｄｃの上昇に備えて直流リンクコンデンサ４を大容量化、高耐圧化すると、コンデンサの体格の増大につながる。また、スイッチング素子３の高耐圧化も必要となる。これは、回転電機駆動装置１の小型化の妨げとなり、部品コスト、製造コスト、製品コストにも影響する。

　本実施形態のインバータ制御装置２０は、後述するようにシャットダウン制御と、アクティブショートサーキット制御と、条件付きでのトルク減少制御とを行うことにより、回転電機８０のトルクの絶対値を減少させ、駆動電流（ｑ軸電流Ｉｑ）を減少させると共に、当該回転電機８０のトルクを維持した状態で、アクティブショートサーキット制御の実行後の動作点に近づくように界磁電流（ｄ軸電流Ｉｄ）を制御する点に特徴を有する。本実施形態では、トルク減少制御として、ゼロトルク制御を実行する。ゼロトルク制御とは、トルク減少制御において、回転電機８０のトルクがゼロとなるようにトルク指令を設定する制御である。この場合、駆動電流（ｑ軸電流Ｉｑ）はゼロ状態まで減少する。ここで、電流に関しての「ゼロ状態」とは、ゼロを含む±数［Ａ］の範囲を含む状態をいう。また、例えば、トルクに対して「ゼロ状態」と称する場合には、ゼロを含む±数［Ｎｍ］の範囲を含む状態をいう。その他の物理量についても特に明記しない限り同様である。本実施形態では、回転電機８０が回生運転中であり、その回生電力がインバータ１０を介して高圧バッテリ１１の方向へ回生されている状態で、異常が生じた場合を例として説明する。また、ここでは、回生運転中の回転電機８０が、ＰＷＭ制御で制御されている場合を例として説明する。

　以下、図２～図５を参照して、ゼロトルク制御について説明する。図２のフローチャート及び図４の波形図は、それぞれ制御モードの遷移例を示している。また、図３及び図５は、制御モードの遷移例を電流の電流ベクトル空間（直交座標系）において模式的に示している。図３及び図５において、符号“１００”（１０１～１０３）は、それぞれ回転電機８０が、あるトルクを出力する電機子電流のベクトル軌跡を示す等トルク線である。等トルク線１０１よりも等トルク線１０２の方が低トルクであり、さらに等トルク線１０２よりも等トルク線１０３の方が低トルクである。

　曲線“３００”は電圧制限楕円（電圧速度楕円）を示している。電圧制限楕円は、回転電機８０の回転速度ω及びインバータ１０の直流電圧（直流リンク電圧Ｖｄｃ）の値に応じて設定可能な電流指令の範囲を示すベクトル軌跡である。電圧制限楕円３００の大きさは、直流リンク電圧Ｖｄｃと回転電機８０の回転速度ω（又は回転数ＮＲ）とに基づいて定まる。具体的には、電圧制限楕円３００の径は直流リンク電圧Ｖｄｃに比例し、回転電機８０の回転速度ωに反比例する。電流指令（Ｉｄ^＊，Ｉｑ^＊）は、このような電流ベクトル空間において電圧制限楕円３００内に存在する等トルク線１００の線上の動作点における値として設定される。

　図２に示すように、インバータ制御装置２０は、通常動作として回転電機８０をトルクモード（目標トルクＴＭに応じた例えばＰＷＭ制御）で制御している（＃１０）。この時の、電流ベクトル空間における回転電機８０の動作点は、図３に示す第１動作点Ｐ１である。換言すれば、回転電機８０は、等トルク線１０３上の第１動作点Ｐ１において、通常動作としてのトルクモードで回生動作している。

　ここで、図２に例示するように、異常が生じたと判定されると（＃２０）、インバータ制御装置２０はまず最初に、回転電機８０の回転速度ωが高回転速度領域（予め定められた基準速度以上の回転速度領域）にあるか否かを判定する（＃２２）。そして、異常が判定された場合においてさらに回転電機８０の回転速度ωが高回転速度領域にあると判定された場合には、インバータ制御装置２０は、当該インバータ制御装置２０が制御可能な状態であるか否かを判定する（＃２５）。この制御可否判定は、インバータ１０及びインバータ制御装置２０の各部や電源デバイス（例えば低圧バッテリ）、センサデバイス（例えば電流センサ１２や回転センサ１３）の健全性を確認することによって行うことができる。

　例えばインバータ制御装置２０は、インバータ１０及びインバータ制御装置２０がそれ自体それぞれ正常に機能しているかを確認する。また例えばインバータ制御装置２０は、インバータ制御装置２０や車両ＥＣＵ９０への電力供給源としての低圧バッテリや、電流フィードバック制御用に各種情報を得るための電流センサ１２や回転センサ１３等が、それぞれ正常に機能しているかを確認する。そして、インバータ制御装置２０は、それらが全て健全であることが確認できた場合、電機子電流の制御が可能な状態であると判定する。一方、インバータ制御装置２０は、それらのうちの少なくとも１つが機能不全に陥っていた場合、制御不能な状態であると判定する。

　回転電機８０が高速回転している状態で回転電機８０又はインバータ１０に異常が生じた場合においてさらにステップ＃２５で制御可能状態であると判定した場合、インバータ制御装置２０は、通常動作としてのトルクモードから、回転電機８０のトルクがゼロとなるようにトルク指令Ｔ^＊を設定してｑ軸電流Ｉｑ（駆動電流）をゼロ状態まで減少させると共に、当該トルク指令Ｔ^＊に基づくトルクを維持した状態で電機子電流が増加するようにｄ軸電流Ｉｄ（界磁電流）を増加させるゼロトルク制御を開始する（＃３０）。ゼロトルク制御の開始は、放電モードの開始と等価である。図３に示すように、インバータ制御装置２０は、動作点を、第１動作点Ｐ１から第２動作点Ｐ２へと移動させるような制御を実行する。なお、本実施形態において、ｑ軸電流Ｉｑ（駆動電流）の減少とは、絶対値基準での値が小さくなることを意味する。また、ｑ軸電流Ｉｑ（駆動電流）の増加とは、絶対値基準での値が大きくなることを意味する。以下、他の物理量に関しても同様に考えることができる。

　インバータ制御装置２０は、例えば制御が追従可能な範囲内で大きいトルク変化率ΔＴで回転電機の回生トルクがゼロに向かって減少するように、トルク指令Ｔ^＊を設定する。トルク変化率ΔＴは、回転電機８０が制御可能な範囲での回生電力の変化率の最大値である電力変化率ΔＷ［ｋＷ／ｓ］と、現在の回転電機８０の回転数ＮＲ［ｒｍｐ］（回転速度ω）とに基づいて算出可能である。急激なトルク変動を抑制するため、トルク変化率ΔＴには変化率制限値が設定されても良い。

　ゼロトルク制御の開始時には、図４に示すように、３相電流波形の振幅（波高値Ｉ１）が大きくなる場合がある。しかし、後述するように、通常動作からゼロトルク制御へ円滑に遷移するように制御されるため、発明者らによる実験やシミュレーションによれば、３相電流波形の振幅は許容値の範囲内に収まっていることが確認された。

　本実施形態では、第１動作点Ｐ１から、ｄ軸電流Ｉｄを一定値に保ったままでｑ軸電流Ｉｑを減少させてトルクをゼロに近づけていく。つまり、図３に示すように、第１動作点Ｐ１から、ｑ軸電流Ｉｑがゼロ状態でｄ軸電流Ｉｄが第１動作点Ｐ１でのｄ軸電流Ｉｄに等しい第２動作点Ｐ２まで遷移させる。別の形態として、第２動作点Ｐ２を、ｑ軸電流Ｉｑの減少を優先して、第１動作点Ｐ１の座標とｑ軸電流Ｉｑの減少速度とｄ軸電流Ｉｄの増加速度とに基づいて設定される座標とするなどしても好適である。

　第２動作点Ｐ２では、ｑ軸電流Ｉｑはゼロ状態であるが、ｄ軸電流Ｉｄはゼロ状態ではない。従って、放電モード（ゼロトルク制御）の継続によって、直流リンク電圧Ｖｄｃが低下していく。インバータ制御装置２０は、第２動作点Ｐ２からさらに電圧制限楕円３００の中心点である第３動作点Ｐ３の方向へ、ｄ軸電流Ｉｄを増加させると好適である。後述するように、異常が生じるとアクティブショートサーキット制御が開始されるが、アクティブショートサーキット制御への移行時には電流が振動する場合がある。従って、ｑ軸電流Ｉｑがゼロ状態に達した後も、ｄ軸電流Ｉｄを増加させることによって、直流リンクコンデンサ４に蓄積されたエネルギーを効率的に消費させておくと、アクティブショートサーキット制御への移行時に振動する電流の振幅（例えば図４の時刻ｔ３における波高値Ｉ３）を抑制することができる。

　また、アクティブショートサーキット制御への移行時の過電流を抑制することができ、磁束変化率を小さく抑えることができる。このため、回転電機８０のロータに備えられる永久磁石が高温の状態であったとしても、不可逆減磁が生じるのを有効に抑制することができる。

　インバータ制御装置２０は、ｑ軸電流Ｉｑ（駆動電流）がゼロ状態に達し、上記ゼロトルク制御を継続した状態で、ｄ軸電流Ｉｄ（より詳細には、ｄ軸電流Ｉｄの絶対値）が予め規定されたしきい値電流Ｉｄ＿ｔｈを超えて大きくなったと判定した場合（＃５０）に、ゼロトルク制御に代えて、アクティブショートサーキット制御を開始する（＃６０）。例えばｄ軸電流Ｉｄの絶対値がしきい値電流Ｉｄ＿ｔｈよりも大きくなって動作点が第３動作点Ｐ３に達すると（図３を参照）、ゼロトルク制御を終了してアクティブショートサーキット制御（ＡＳＣ制御）を開始する。なお、ステップ＃５０の判定は、少なくともｄ軸電流Ｉｄに応じて定まる変調率が、予め規定された変調率しきい値を超えて小さくなったことに基づいて実施されても良い。回転電機８０が高速回転している状態で回転電機８０又はインバータ１０に異常が生じた場合においてステップ＃２５で制御不能状態であると判定した場合には、インバータ制御装置２０は、通常動作としてのトルクモードから、上述したゼロトルク制御（＃３０）を実行することなく、直ちにアクティブショートサーキット制御を開始する（図５：＃６０）。

　アクティブショートサーキット制御とは、複数相のアーム３Ａの上段側スイッチング素子３Ｈ及び下段側スイッチング素子３Ｌの何れか一方のスイッチング素子３の全てをオン状態に制御し、他方のスイッチング素子３の全てをオフ状態に制御する制御方式である。図８には、３相全てのアーム３Ａの下段側スイッチング素子３Ｌ（３２，３４，３６）をオン状態とし、３相全てのアーム３Ａの上段側スイッチング素子３Ｈ（３１，３３，３５）をオフ状態とする下段側アクティブショートサーキット制御を実行する場合の例を示している。このようなアクティブショートサーキット制御の実行により、電流は、回転電機８０とインバータ１０との間（ステータコイル８とスイッチング素子３との間）で還流する。つまり、アクティブショートサーキット制御の開始によって、動作モードは、放電モードから、電流を還流させる動作モードへ移行する。

　その際、インバータ制御装置２０による電機子電流の制御が可能であってゼロトルク制御を経てアクティブショートサーキット制御が開始された場合には、ｄ－ｑ軸ベクトル空間におけるｄ軸電流Ｉｄ（界磁電流）及びｑ軸電流Ｉｑ（駆動電流）の制御はできなくなる。図３に示す例では、ｑ軸電流Ｉｑがやや増大して、第４動作点Ｐ４に移動している。一方、インバータ制御装置２０による電機子電流の制御が不可能であってトルクモードから直ちにアクティブショートサーキット制御が開始された場合には、ｄ－ｑ軸ベクトル空間における動作点は、図５に示すように、トルクモード中における上述した第１動作点Ｐ１から、第４動作点Ｐ４に直線的に移動している。アクティブショートサーキット制御の実行後の動作点である第４動作点Ｐ４は、公知の電圧方程式において、ｄ軸電圧Ｖｄ＝０、ｑ軸電圧Ｖｑ＝０の場合のｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑによって定まる動作点である。なお、電圧方程式は、下記式（１）で表される式であり、この式において、ｐは微分演算子、Ｌｄ，Ｌｑはそれぞれｄ軸インダクタンス及びｑ軸インダクタンス、Ｋ_Ｅは誘起電圧定数である。

　なお、ゼロトルク制御を実行する場合の第１動作点Ｐ１から第３動作点Ｐ３への動作点移動は、各種態様に設定することができる。例えば図６に示すように、ゼロトルク制御において動作点を上述した第１動作点Ｐ１から第３動作点Ｐ３へと直線的に移動させても良い。或いは、回転電機８０がＰＷＭ制御で制御されている場合には、例えば図７に示すように、ゼロトルク制御において動作点を第１動作点Ｐ１から原点Ｏへと移動させた後にｄ軸上を第３動作点Ｐ３へと移動させても良い。

　アクティブショートサーキット制御（還流モード）では、エネルギーがステータコイル８及びスイッチング素子３における熱となって消費される。このため、長時間に亘ってこの還流電流が流れ続けると、ステータコイル８やスイッチング素子３の寿命に影響を与える場合がある。従って、できる限り早期に、回転電機８０に流れる電流をゼロとすることが好ましい。そこで、本実施形態では、アクティブショートサーキット制御を開始した後、シャットダウン制御（後述するフルシャットダウン制御（ＦＳＤ制御））を行って、回転電機８０に流れる電流をゼロ状態とする。

　インバータ制御装置２０は、アクティブショートサーキット制御の開始後に、以下に例示するような、予め規定されたフルシャットダウン制御開始条件を満たした場合（＃７５）に、フルシャットダウン制御（ＦＳＤ制御）を開始する（＃８０）。例えばインバータ制御装置２０は、回転電機８０の回転速度ωが予め規定されたしきい値以下になったと判定したことを条件の１つとして、フルシャットダウン制御（ＦＳＤ制御）を開始しても良い。このフルシャットダウン制御では、インバータ制御装置２０は、インバータ１０の全てのスイッチング素子３（全ての上段側スイッチング素子３Ｈ及び全ての下段側スイッチング素子３Ｌ）をオフ状態に制御する。

　尚、上述した実施形態の説明において開示された種々の構成は、矛盾が生じない限り、組み合わせて適用することも可能である。その他の構成に関しても、本明細書において開示された実施形態は全ての点で単なる例示に過ぎない。従って、本開示の趣旨を逸脱しない範囲内で、適宜、種々の改変を行うことが可能である。

　例えば、トルク減少制御において、回転電機８０のトルクがゼロとなるようにトルク指令Ｔ^＊を設定してｑ軸電流Ｉｑをゼロ状態まで減少させるゼロトルク制御を行うのではなく、回転電機８０のトルクの絶対値が所定トルク以下となるようにトルク指令Ｔ^＊を設定してｑ軸電流Ｉｑを減少させるようにしても良い。すなわち、回転電機８０が高速回転している状態で回転電機８０又はインバータ１０に異常が生じた場合においてさらにインバータ制御装置２０が制御可能な状態であると判定される場合に、回転電機８０のトルクがゼロとなるようにトルク指令Ｔ^＊を設定してｑ軸電流Ｉｑをゼロ状態まで減少させてしまうのではなく、回転電機８０のトルクが所定トルク以下となるようにトルク指令Ｔ^＊を設定してｑ軸電流Ｉｑを減少させるだけでも良い。なお、この場合のトルク指令Ｔ^＊は、正トルクであっても負トルクであっても良い。その後、当該トルク指令Ｔ^＊に基づくトルクを維持した状態で、アクティブショートサーキット制御の実行後の第４動作点Ｐ４に近づくように（例えば、一旦、電圧制限楕円３００の中心点である第３動作点Ｐ３に近づくように）ｄ軸電流Ｉｄを制御した後に、アクティブショートサーキット制御を開始する点は、上述した実施形態と同様である。なお、コンタクタ９が閉じているときには、ｑ軸電流Ｉｑを所定トルク以下とさせるが、コンタクタが開いているときには、直流リンクコンデンサ４に充電されることを防ぐため、ｑ軸電流Ｉｑをゼロとしても良い。

　また、本開示の技術は、回転電機８０が高速回転している状態で回転電機８０又はインバータ１０に異常が生じた場合に、コンタクタ９が開放される回転電機駆動装置１に対するインバータ制御装置２０にも適用可能である。また、本開示の技術は、回転電機８０が低速回転している状態（回転電機８０の回転速度ωが予め定められた基準速度未満である状態）で回転電機８０又はインバータ１０に異常が生じた場合に、コンタクタ９が開放される回転電機駆動装置１に対するインバータ制御装置２０にも適用可能である。また、本開示の技術は、コンタクタ９や直流リンクコンデンサ４を備えていない回転電機駆動装置１に対するインバータ制御装置２０にも適用可能である。

　また、例えば図９に例示するように、インバータ制御装置２０は、アクティブショートサーキット制御の開始後に、予め規定されたパーシャルシャットダウン制御開始条件を満たした場合（＃６５）に、パーシャルシャットダウン制御（ＰＳＤ制御）を開始しても良い（＃７０）。例えばインバータ制御装置２０は、回転電機８０の回転速度ωが予め規定されたしきい値以下になったと判定したことを条件の１つとして、パーシャルシャットダウン制御（ＰＳＤ制御）を開始しても良い。上記の実施形態のようにインバータ１０が直流と３相の交流との間で電力を変換している場合には、インバータ制御装置２０は、アクティブショートサーキット制御の開始後に、何れか１相のアーム３Ａである対象アームの電流がゼロ状態となる際に、少なくともその対象アームにおいてオン状態に制御されているスイッチング素子３をオフ状態とする制御として、パーシャルシャットダウン制御（ＰＳＤ制御）を実行すると良い（図１０を参照）。このパーシャルシャットダウン制御では、インバータ制御装置２０は、対象アームの相の上段側スイッチング素子３Ｈ及び下段側スイッチング素子３Ｌの双方をオフ状態に制御する。

　アーム３Ａに電流が流れている状態で当該アーム３Ａのスイッチング素子３をオフ状態に制御すると、その電流がフリーホイールダイオード５を介して直流リンクコンデンサ４に流入し、直流リンク電圧Ｖｄｃを上昇させる。しかし、アクティブショートサーキット制御からパーシャルシャットダウン制御への移行時には、オン状態からオフ状態へと制御されるスイッチング素子３を流れる電流がゼロ状態であるから、直流リンクコンデンサ４には電流が流れ込まず、直流リンク電圧Ｖｄｃの上昇が抑制される。

　その後、インバータ制御装置２０は、パーシャルシャットダウン制御の開始後、予め規定されたフルシャットダウン制御開始条件を満たした場合（＃７５）に、フルシャットダウン制御（ＦＳＤ制御）を開始する（＃８０）。本実施形態では、インバータ１０は、対象アームとは別の２相のアーム３Ａの電流が共にゼロ状態となる際に、残りの全てのアーム３Ａにおいてオン状態に制御されているスイッチング素子３をオフ状態とするように制御するフルシャットダウン制御（ＦＳＤ制御）を開始する。このフルシャットダウン制御では、インバータ制御装置２０は、インバータ１０の全てのスイッチング素子３（全ての上段側スイッチング素子３Ｈ及び全ての下段側スイッチング素子３Ｌ）をオフ状態に制御する。

　３相のうち、１相には電流が流れないように制御されているので、残りの２相を流れる交流の電流は平衡する。従って、当該２相を流れる交流の電流は同時にゼロ状態となる。アクティブショートサーキット制御からパーシャルシャットダウン制御への移行時と同様に、パーシャルシャットダウン制御からフルシャットダウン制御への移行時も、オン状態からオフ状態へと制御されるスイッチング素子３を流れる電流はゼロ状態である。従って、パーシャルシャットダウン制御からフルシャットダウン制御への移行時にも、直流リンクコンデンサ４には電流が流れ込まず、直流リンク電圧Ｖｄｃの上昇が抑制される。

〔実施形態の概要〕
　以下、上記において説明したインバータ制御装置（２０）の概要について簡単に説明する。

　１つの態様として、上記に鑑みたインバータ制御装置（２０）は、
　直流電源（１１）に接続されると共に交流の回転電機（８０）に接続されて直流と複数相の交流との間で電力を変換するインバータ（１０）であって、交流１相分のアーム（３Ａ）が上段側スイッチング素子（３Ｈ）と下段側スイッチング素子（３Ｌ）との直列回路により構成された当該インバータ（１０）を制御対象とし、
　前記回転電機（８０）の回転に同期して回転する２軸の直交座標系において、当該直交座標系の各軸に沿った界磁電流（Ｉｄ）と駆動電流（Ｉｑ）との合成ベクトルである電機子電流を制御して前記インバータ（１０）を構成するスイッチング素子（３）をスイッチング制御するインバータ制御装置（２０）であって、
　複数相の前記アーム（３Ａ）の前記上段側スイッチング素子（３Ｈ）及び前記下段側スイッチング素子（３Ｌ）の何れか一方の前記スイッチング素子（３）の全てをオン状態に制御し、他方の前記スイッチング素子（３）の全てをオフ状態に制御するアクティブショートサーキット制御を実行するものであり、
　前記回転電機（８０）が回転している状態で前記回転電機（８０）又は前記インバータ（１０）に異常が生じた場合に、
　当該インバータ制御装置（２０）による前記電機子電流の制御が可能であるか否かを判定し、
　前記電機子電流を制御可能と判定した場合に、前記回転電機（８０）のトルクの絶対値が所定トルク以下となるようにトルク指令を設定して前記駆動電流（Ｉｑ）を減少させると共に、当該トルク指令に基づくトルクを維持した状態で、前記アクティブショートサーキット制御の実行後の動作点（Ｐ４）に近づくように前記界磁電流（Ｉｄ）を制御するトルク減少制御を実行した後に、前記アクティブショートサーキット制御を開始する。

　この構成によれば、回転電機（８０）が回転している状態で回転電機（８０）又はインバータ（１０）に異常が生じた場合には、インバータ制御装置（２０）による電機子電流の制御が可能であるか否かが判定され、当該制御が可能と判定される場合に、回転電機（８０）のトルクが所定トルク以下となるように駆動電流（Ｉｑ）が減少される。この制御の実行により駆動電流（Ｉｑ）が減少した後は、回転電機（８０）から直流電源（１１）に回生される電流が小さくなる。その後、所定のタイミングで、アクティブショートサーキット制御が開始される。制御方式が切り換わる際には、インバータ（１０）及び回転電機（８０）に流れる電流に過渡的な振動が生じることがあるが、予めアクティブショートサーキット制御の実行後の動作点（Ｐ４）に近づくように界磁電流（Ｉｄ）を制御しておくことにより、そのような振動の振幅を低減することができる。その結果、制御方式が切り換わる際の過電流の発生を抑制することができる。このように、本構成によれば、回転電機（８０）が回転している状態で回転電機（８０）又はインバータ（１０）に異常が生じた場合に過電流を抑制することができ、モータの減磁を防ぎ、インバータ素子への負荷を低減できる。

　ここで、前記トルク減少制御では、前記回転電機の回転速度及び前記直流電源の電圧に応じて設定可能な前記合成ベクトルの範囲である電圧制限楕円（３００）の中心点（Ｐ３）に近づくように前記界磁電流（Ｉｄ）を制御すると好適である。

　この構成によれば、トルク減少制御を実行することにより、界磁電流（Ｉｄ）が電圧制限楕円（３００）の中心点（Ｐ３）に近づき、アクティブショートサーキット制御の実行後の動作点（Ｐ４）にも近づく。よって、トルク減少制御からアクティブショートサーキット制御へ制御方式が切り換わる際の過電流の発生を効果的に抑制することができる。

　また、前記トルク減少制御を開始した後、前記界磁電流（Ｉｄ）に応じて定まる値が予め規定されたしきい値を超えたと判定した場合に、前記アクティブショートサーキット制御を開始すると好適である。

　この構成によれば、界磁電流（Ｉｄ）に応じて定まる値と予め規定されたしきい値との大小関係に基づき、アクティブショートサーキット制御を開始するタイミングを適切に決定することができる。なお、界磁電流（Ｉｄ）に応じて定まる値としては、例えば、界磁電流（Ｉｄ）の絶対値や、少なくとも界磁電流（Ｉｄ）に応じて定まる変調率等が例示される。

　また、前記トルク減少制御では、前記回転電機（８０）のトルクがゼロとなるように前記トルク指令を設定すると好適である。

　この構成によれば、駆動電流（Ｉｑ）がゼロ状態に達した後は、回転電機（８０）から直流電源（１１）に電流が回生されなくなる。よって、例えばコンタクタが開いているときに、直流電源（１１）の過電圧を抑制することができる。

　また、前記電機子電流を制御不能と判定した場合には、前記トルク減少制御を実行することなく、前記アクティブショートサーキット制御を開始すると好適である。

　この構成によれば、電機子電流を制御不能な場合でも、異常が生じた場合には少なくともアクティブショートサーキット制御を実行することで、直流電源（１１）の過電圧を抑制することができる。

　また、前記アクティブショートサーキット制御の実行後、前記回転電機（８０）の回転速度（ω）が予め規定されたしきい値以下になったと判定した場合に、前記上段側スイッチング素子（３Ｈ）及び前記下段側スイッチング素子（３Ｌ）の双方をオフ状態とするように制御するシャットダウン制御を開始すると好適である。

　アクティブショートサーキット制御からシャットダウン制御への移行時には、回転電機（８０）の回転速度（ω）がしきい値以下であるから、流れる電流は少ない。このため、直流リンク電圧（Ｖｄｃ）の上昇が抑制される。本構成によれば、回転電機（８０）が回転している状態で回転電機（８０）又はインバータ（１０）に異常が生じた際に、直流リンク電圧（Ｖｄｃ）の上昇や、還流電流の総量を抑制しつつ、回転電機（８０）に流れる電流をゼロ状態にすることができる。

３　　　　　：スイッチング素子
３Ａ　　　　：アーム
３Ｈ　　　　：上段側スイッチング素子
３Ｌ　　　　：下段側スイッチング素子
１０　　　　：インバータ
１１　　　　：高圧バッテリ（直流電源）
２０　　　　：インバータ制御装置
８０　　　　：回転電機
Ｉｄ　　　　：ｄ軸電流（界磁電流、界磁電流に応じて定まる値）
Ｉｄ＿ｔｈ　：しきい値電流（しきい値）
Ｉｑ　　　　：ｑ軸電流（駆動電流）
Ｖｄｃ　　　：直流リンク電圧
ω　　　　　：回転電機の回転速度

Claims

　直流電源に接続されると共に交流の回転電機に接続されて直流と複数相の交流との間で電力を変換するインバータであって、交流１相分のアームが上段側スイッチング素子と下段側スイッチング素子との直列回路により構成された当該インバータを制御対象とし、
　前記回転電機の回転に同期して回転する２軸の直交座標系において、当該直交座標系の各軸に沿った界磁電流と駆動電流との合成ベクトルである電機子電流を制御して前記インバータを構成するスイッチング素子をスイッチング制御するインバータ制御装置であって、
　複数相の前記アームの前記上段側スイッチング素子及び前記下段側スイッチング素子の何れか一方の前記スイッチング素子の全てをオン状態に制御し、他方の前記スイッチング素子の全てをオフ状態に制御するアクティブショートサーキット制御を実行するものであり、
　前記回転電機が回転している状態で前記回転電機又は前記インバータに異常が生じた場合に、
　当該インバータ制御装置による前記電機子電流の制御が可能であるか否かを判定し、
　前記電機子電流を制御可能と判定した場合に、前記回転電機のトルクの絶対値が所定トルク以下となるようにトルク指令を設定して前記駆動電流を減少させると共に、当該トルク指令に基づくトルクを維持した状態で、前記アクティブショートサーキット制御の実行後の動作点に近づくように前記界磁電流を制御するトルク減少制御を実行した後に、前記アクティブショートサーキット制御を開始するインバータ制御装置。
　前記トルク減少制御では、前記回転電機の回転速度及び前記直流電源の電圧に応じて設定可能な前記合成ベクトルの範囲である電圧制限楕円の中心点に近づくように前記界磁電流を制御する請求項１に記載のインバータ制御装置。
　前記トルク減少制御を開始した後、前記界磁電流に応じて定まる値が予め規定されたしきい値を超えたと判定した場合に、前記アクティブショートサーキット制御を開始する請求項１又は２に記載のインバータ制御装置。
　前記トルク減少制御では、前記回転電機のトルクがゼロとなるように前記トルク指令を設定する請求項１から３のいずれか一項に記載のインバータ制御装置。
　前記電機子電流を制御不能と判定した場合には、前記トルク減少制御を実行することなく、前記アクティブショートサーキット制御を開始する請求項１から４のいずれか一項に記載のインバータ制御装置。
　前記アクティブショートサーキット制御の実行後、前記回転電機の回転速度が予め規定されたしきい値以下になったと判定した場合に、前記上段側スイッチング素子及び前記下段側スイッチング素子の双方をオフ状態とするように制御するシャットダウン制御を開始する請求項１から５のいずれか一項に記載のインバータ制御装置。