WO2018163928A1 - 電動モータの駆動制御装置及びその駆動制御方法 - Google Patents

電動モータの駆動制御装置及びその駆動制御方法 Download PDF

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藤田 治彦
紘文 渡部
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日立オートモティブシステムズ株式会社
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    • H02P2209/05Polyphase motors supplied from a single-phase power supply or a DC power supply

Definitions

  • the present invention relates to a drive control device for an electric motor in which an inverter circuit and a shunt resistor for detecting a bus current are mounted on a multilayer wiring board, and a drive control method thereof.
  • Patent Document 1 describes a power conversion device in which wiring of a main circuit is configured by wiring boards stacked in multiple layers. A plurality of positive and negative DC main circuit conductors of the power conversion device are provided in the wiring board, and these positive and negative DC main circuit conductors are alternately stacked with an insulating layer interposed therebetween.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a drive control device for an electric motor capable of detecting a leakage current of a multilayer wiring board without newly providing a current sensor, and the drive control thereof. It is to provide a method.
  • An electric motor drive control device includes an inverter circuit configured to drive an electric motor, a shunt resistor that detects a bus current of the inverter circuit, the inverter circuit, and the shunt resistor.
  • an inverter circuit configured to drive an electric motor
  • a shunt resistor that detects a bus current of the inverter circuit, the inverter circuit, and the shunt resistor.
  • the upstream wiring section and the downstream wiring section of the inverter circuit which are disposed opposite to each other with an insulating layer interposed between adjacent layers of the multilayer wiring board.
  • a control pattern configured to input a PWM (Pulse Width Modulation) signal to the inverter circuit and control a sensing pattern layer that guides a leakage current flowing from the upstream wiring portion to the downstream wiring portion to the shunt resistor.
  • PWM Pulse Width Modulation
  • An electric motor drive control method includes an inverter circuit configured to drive an electric motor, a shunt resistor that detects a bus current of the inverter circuit, and the inverter circuit.
  • An electric motor comprising a sensing pattern layer that is provided on a substrate and guides a leakage current flowing from the upstream wiring portion to the downstream wiring portion to the shunt resistor, and a control unit configured to drive the electric motor.
  • the inverter circuit is controlled by inputting a PWM (Pulse Width Modulation) signal from the control unit to the inverter circuit. And determining whether or not there is a leakage current based on a current flowing through the shunt resistor in the control unit during a period in which a regenerative current is generated in the electric motor. To do.
  • PWM Pulse Width Modulation
  • a leakage current is detected using a sensing pattern layer provided in a multilayer wiring board and a shunt resistor for detecting a bus current. Since no current flows in the shunt resistor during the period when the regenerative current is generated in the electric motor, it is possible to determine whether or not there is a leak current by detecting whether or not the current flows during this period. Therefore, according to the present invention, the leakage current of the multilayer wiring board can be detected without newly providing a current sensor, and an increase in product cost can be suppressed.
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing a schematic configuration of a drive control device for an electric motor according to an embodiment of the present invention. It is a circuit diagram which shows the other structural example of the inverter circuit in the drive control apparatus of the electric motor shown in FIG. It is a circuit diagram which shows the structural example of the electric current detection part in the drive control apparatus of the electric motor shown in FIG. It is a top view of the wiring pattern of the 1st layer of the multilayer wiring board in the drive control apparatus of the electric motor shown in FIG. It is a top view of the wiring pattern of the 2nd layer of the multilayer wiring board shown in FIG.
  • FIG. 3 is a plan view of a third layer wiring pattern of the multilayer wiring board shown in FIG. 1. It is a top view of the wiring pattern of the 4th layer of the multilayer wiring board shown in FIG. It is a wave form diagram which shows the detection timing of the leakage current in the drive control apparatus of the electric motor shown in FIG.
  • FIG. 1 shows a schematic configuration of a drive control device for an electric motor according to an embodiment of the present invention by extracting a main part related to detection of a leak current generated between wiring patterns of a multilayer wiring board.
  • the electric motor 10 to be controlled is a three-phase DC brushless motor in this example, and U-phase, V-phase, and W-phase three-phase windings 11u, 11v, 11w star-connected to a cylindrical stator (not shown). Is provided.
  • a permanent magnet rotor (rotor) is rotatably provided in the space formed in the central portion of the stator.
  • the electric motor 10 is controlled by being supplied with a PWM (Pulse Width Modulation) signal from a drive control device.
  • PWM Pulse Width Modulation
  • the drive control device includes electronic components mounted on the multilayer wiring board 20 and a control unit 30 such as a microcomputer.
  • the multilayer wiring board 20 includes electronic components such as an inverter circuit 21, a shunt resistor 22, a phase voltage detector 23, a smoothing capacitor 24, a filter circuit 25, a current detection unit 26, a cutoff relay 27, and a backflow prevention relay 28, for example, solder. It is implemented with a date.
  • the inverter circuit 21 is configured by switching elements T1 to T6 connected in a three-phase bridge.
  • the switching elements T1 to T6 use IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) in this example, but may be other power control semiconductor elements such as FETs (Field Effect Transistors) Q1 to Q6 as shown in FIG. .
  • the cathodes and anodes of the diodes D1 to D6 are connected in reverse directions.
  • parasitic diodes D1 ′ to D6 ′ are formed between the drain and the source.
  • a direct current power source 40 such as a battery
  • a cut-off relay 27 provided in a power supply wire (hot line) 40a
  • a backflow prevention relay 28 and Operation power is supplied through the noise removal filter circuit 25.
  • the filter circuit 25 is configured by an LC type of an inductor 25a and a capacitor 25b.
  • a smoothing capacitor 24 is connected between the positive electrode and the negative electrode of the DC power supply 40 via a cutoff relay 27 and a backflow prevention relay 28.
  • the output of the control unit 30 is supplied to the control terminals (gate electrodes) of the switching elements T1 to T6 in the inverter circuit 21 (not shown), and on / off of these switching elements T1 to T6 is controlled by PWM.
  • the voltage (motor input voltage) applied to the electric motor 10 is controlled.
  • the U-phase, V-phase, and W-phase voltages of the electric motor 10 are detected by the phase voltage detector 23, respectively.
  • the phase voltage detector 23 has one end connected to the U-phase, V-phase, and W-phase drive lines 29u, 29v, and 29w, and the other ends of these resistors R1 to R3 and the ground.
  • the phase voltage is output from the connection point between the resistors R1 to R3 and the resistor R4. This phase voltage is supplied to the control unit 30 and used for controlling the switching elements T1 to T6.
  • One end of the shunt resistor 22 is connected to the downstream (ground side) wiring portion 21b of the inverter circuit 21, and the other end is connected to the negative electrode of the DC power supply 40 via a ground wire (cold line) 40b.
  • the shunt resistor 22 is provided to detect the bus current Im flowing through the downstream wiring portion 21 b of the inverter circuit 21 and to control the rotation of the electric motor 10.
  • the shunt resistor 22 is also used to detect the leakage current Is flowing in the insulating layer interposed between the upstream wiring portion 21a and the downstream wiring portion 21b of the inverter circuit 21.
  • the voltage at both ends of the shunt resistor 22 is supplied to a current detection unit 26 for detecting a current flowing through the shunt resistor, and A / D in which voltages for motor control and short-circuit current detection are built in the control unit 30. Supplied to the converter.
  • FIG. 3 shows a configuration example of the current detection unit 26 in the drive control device of the electric motor 10 shown in FIG.
  • the current detection unit 26 includes an amplifier 26a having a gain G1 and an amplifier 26b having a gain G2 (gain G1> G2).
  • the voltage generated across the shunt resistor 22 is amplified by the amplifier 26a.
  • An offset bias voltage is applied to the amplifier 26a.
  • the output signal of the amplifier 26 a is supplied to an A / D converter (ADC) in the control unit 30 for controlling the electric motor 10.
  • ADC A / D converter
  • An output signal obtained by further amplifying the output signal of the amplifier 26a by the amplifier 26b is supplied to an A / D converter (ADC) in the control unit 30 for short-circuit current detection.
  • the leakage current Is detected by the shunt resistor 22 can be monitored with high resolution and high accuracy.
  • the short-circuit current flowing through the insulating layer is small, a small leak current that is close to the limit of detection accuracy when a current sensor is provided can be detected by amplifying with the two-stage amplifiers 26a and 26b.
  • a wiring pattern 20-1 in the first layer shown in FIG. 4 is a mounting surface for electronic components.
  • switching elements T1 to T6, a shunt resistor 22, a cutoff relay 27, and a backflow prevention are provided.
  • a relay 28 and the like are mounted.
  • the phase voltage detector 23, the smoothing capacitor 24, the filter circuit 25, the current detection unit 26, and the like are omitted.
  • the wiring pattern 20-1 in the first layer includes pattern portions P29u, P29v, P29w corresponding to the U-phase, V-phase, and W-phase drive lines 29u, 29v, 29w of the electric motor 10, and these pattern portions P29u. , P29v, P29w are provided adjacent to the sensing pattern layers PSu, PSv, PSw.
  • the collectors of switching elements T2, T4, T6 are connected to the pattern portions P29u, P29v, P29w, respectively, and the emitters of the switching elements T2, T4, T6 are connected to the sensing pattern layers PSu, PSv, PSw, respectively.
  • the electric motor 10 is connected to the pattern portions P29u, P29v, and P29w through a motor connection connector 50.
  • sensing pattern layer PSu a pattern portion P40b corresponding to the ground electric wire 40b is spaced apart, and the sensing pattern layer PSu and the pattern portion P40b are electrically connected via the shunt resistor 22.
  • Each of the sensing pattern layers PSu, PSv, PSw detects a leakage failure of an electronic component in the inverter circuit 21, for example, an on failure of the switching elements T1 to T6. Any one of the switching elements T1 to T6 remains in an on state, and this is detected when a current continues to flow at a timing that should be turned off.
  • the control unit 30 detects that the current detection unit 26 detects that the value of the current flowing through the shunt resistor 22 exceeds a second predetermined value that is larger than the first predetermined value for detecting the leakage current, the switching element It is determined that the failure does not turn off. In this case, since a large current flows and abnormal heat generation and burning of the inverter circuit 21 and other electronic components may occur, the control relay 30 turns off the interruption relay 27 to drive the electric motor 10. Stop immediately.
  • the emitters of the switching elements T1, T3, and T5 are connected to the pattern parts P29u, P29v, and P29w, respectively, and the switching elements T1, T3, and T3 are connected to the pattern part P21a corresponding to the upstream wiring part 21a of the inverter circuit 21, respectively.
  • the collector of T5 is connected.
  • the pattern portion P40a corresponding to the power supply wire 40a is disposed adjacent to the pattern portion P21a corresponding to the upstream wiring portion 21a so as to sandwich the pattern portion P40c.
  • the pattern portion P40c corresponds to a wiring that connects the interruption relay 27 and the backflow prevention relay 28.
  • the pattern portion P40a and the pattern portion P40c are connected via the interruption relay 27, and the pattern portion P40c and the pattern portion P21a are connected via the backflow prevention relay 28.
  • a power line connector 51 for connecting to the DC power source 40 is connected to the pattern portion P40a and the pattern portion P40b.
  • the second-layer wiring pattern (inner layer 1) 20-2 shown in FIG. 5 includes the first-layer pattern portions P29u, P29v, P29w, the sensing pattern layers PSu, PSv, PSw, and the pattern portion P21a.
  • a sensing pattern layer PSr that is opposed to each other through an insulating layer (not shown) and has a larger area than these patterns is provided.
  • the sensing pattern layer PSr detects a leak current generated in the insulating layer between the first and third wiring patterns, and a pattern corresponding to the ground wire 40b via the shunt resistor 22. Connected to the part P40b.
  • the sensing pattern layer PSr and the sensing pattern layers PSu, PSv, PSw are connected through a through hole to form a downstream wiring portion 21b of the inverter circuit 21, and a current flowing through the downstream wiring portion 21b is shunted. It is led to one end of the resistor 22.
  • the pattern portion P40a and the pattern portion P40c of the power supply electric wire 40a are arranged at positions corresponding to the first-layer wiring pattern 20-1.
  • pattern portions P29u, P29v having areas larger than these patterns are provided at positions corresponding to the pattern portions P29u, P29v, P29w described above. , P29w are arranged.
  • a pattern part P40a, a pattern part P40c, a pattern part P21a, and a pattern part P40b corresponding to the first layer and the second layer are arranged.
  • pattern portions P29u, P29v, and P29w similar to the third layer are arranged on the fourth layer (solder surface) wiring pattern 20-4 shown in FIG. 7, pattern portions P29u, P29v, and P29w similar to the third layer are arranged. Further, a pattern portion P40a, a pattern portion P40c, a pattern portion P21a, and a pattern portion P40b are arranged. The inverter circuit 21, shunt resistor 22, cutoff relay 27, backflow prevention relay 28, and the like are mounted by soldering to the wiring pattern 20-4.
  • a DC power supply 40 is applied to the pattern portion P40a and the pattern portion P40b in the first to fourth wiring patterns 20-1 to 20-4 of the multilayer wiring board 20 via the connector 51.
  • the DC power supply 40 is supplied to the pattern portion P21a via the cutoff relay 27 and the backflow prevention relay 28, and is supplied from the pattern portion P40b to the sensing pattern layers PSu, PSv, PSw, PSr via the shunt resistor 22. .
  • operating power is supplied between the upstream wiring portion 21a and the downstream wiring portion 21b of the inverter circuit 21, and PWM signals corresponding to the on / off states of the switching elements T1 to T6 are supplied to the drive lines 29u, 29v, 29w.
  • the electric motor 10 connected to the pattern portions P29u, P29v, P29w by the connector 50 is driven by PWM control.
  • FIG. 8 shows the detection timing of the leakage current Is in the drive control apparatus for the electric motor shown in FIG.
  • one PWM cycle only two-phase bus currents can be detected, and the remaining one phase is estimated because the sum of the currents is “0”.
  • FIG. 8 shows an example in which the W-phase current ⁇ Iw and the U-phase current Iu are detected at the timings indicated by the arrows.
  • Supply to the converter and digitize The control unit 30 obtains the W-phase current -Iw and the U-phase current Iu from the digitized voltage.
  • the presence or absence of a leakage current is determined based on the current flowing through the shunt resistor 22 during a period in which a regenerative current is generated in the electric motor 10 in the PWM cycle. That is, the bus current Im does not normally flow during the regeneration period by PWM control. However, for example, if the insulating layer interposed between the first and third wiring patterns 20-1 and 20-3 in the multilayer wiring board 20 deteriorates and carbonizes to allow the leakage current Is to pass, the current flows. Flowing. The leakage current Is is received by the sensing pattern layer PSr and guided to the shunt resistor 22. Then, during the period when the regenerative current is generated in the electric motor 10, the voltage across the shunt resistor 22 is amplified, supplied to the A / D converter in the control unit 30, digitized, and detected.
  • the predetermined period is shorter as the current value detected by the shunt resistor 22 is larger, and the first predetermined value is a current value smaller than the maximum current for driving the electric motor 10.
  • the interrupting relay 27 is turned off to interrupt the supply of the DC power supply 40, thereby driving the electric motor 10. If the process is stopped immediately, abnormal heat generation of the multilayer wiring board 20 and burning of electronic components can be suppressed.
  • the leakage current Is can be detected using the shunt resistor 22 for detecting the bus current during a period when the regenerative current is generated in the electric motor 10, so that it is not necessary to newly provide a current sensor.
  • the sensing pattern layer PSr may be formed with a conductor pattern when the multilayer wiring board 20 is formed, for example, when the upstream wiring portion 21a or the downstream wiring portion 21b is formed. Therefore, an increase in product cost can be suppressed. Further, it is possible to detect an on-failure in which the switching elements T1 to T6 in the inverter circuit 21 remain in an on state and current continues to flow at a timing that should be turned off.
  • the sensing pattern layer PSr which has a large area and is electrically grounded via the shunt resistor, is interposed between the wiring portions 21a and 21b, thereby shielding electromagnetic radiation noise radiated from the multilayer wiring board 20. The effect that it can suppress is also acquired.
  • the downstream shunt method in which the leakage current Is is detected using the shunt resistor 22 provided on the ground side of the inverter circuit 21 has been described as an example, but the upstream in which the bus current is detected on the power supply side.
  • the arrangement and shape of the sensing pattern layers PSu, PSv, PSw, and PSr are merely examples, and it is needless to say that the sensing pattern layers PSu, PSv, PSw, and PSr can be transformed into various shapes and sizes according to required characteristics.
  • the control unit 30 is provided separately from the multilayer wiring board 20 is shown, it may be mounted on the multilayer wiring board 20.
  • the present invention has been described above using the embodiments, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Further, the above embodiments include inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent elements. For example, even if some constituent elements are deleted from all the constituent elements shown in the embodiment, at least one of the problems described in the column of the problem to be solved by the invention can be solved, When at least one of the effects obtained is obtained, a configuration in which this configuration requirement is deleted can be extracted as an invention.
  • SYMBOLS 10 Electric motor, 11u, 11v, 11w ... Three-phase winding, 20 ... Multi-layer wiring board, 20-1 to 20-4 ... Wiring pattern, 21 ... Inverter circuit, 21a ... Upstream wiring part, 21b ... Downstream wiring , 22 ... Shunt resistor, 26 ... Current detection unit, 30 ... Control unit (microcomputer), T1 to T6 ... Switching element, PSu, PSv, PSw, PSr ... Sensing pattern layer, Is ... Leakage current, Im ... Bus current

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Abstract

電流センサを新たに設けることなく多層配線基板のリーク電流を検出できる電動モータの駆動制御装置及び駆動制御方法を提供する。 電動モータの駆動制御装置は、多層配線基板に実装されたインバータ回路と、このインバータ回路の母線電流を検出するシャント抵抗とを備える。インバータ回路の上流側配線部と下流側配線部は、絶縁層を介在して多層配線基板の隣接層に対向配置されている。そして、多層配線基板に、上流側配線部から下流側配線部に流れるリーク電流をシャント抵抗に導くセンシングパターン層を設け、電動モータに回生電流が発生する期間に、シャント抵抗を流れる電流に基づいてリーク電流の有無を判定する。

Description

電動モータの駆動制御装置及びその駆動制御方法
 本発明は、多層配線基板にインバータ回路と母線電流検出用のシャント抵抗とが実装された電動モータの駆動制御装置及びその駆動制御方法に関する。
 特許文献1には、多層に積層した配線板により主回路の配線が構成された電力変換装置が記載されている。上記配線板内には、電力変換装置の正負の直流主回路導体がそれぞれ複数枚設けられており、これら正負の直流主回路導体が絶縁層を挟んで交互に積層されている。
特開2000-102253号公報
 ところで、このような多層の配線板においては、実装した電子部品の発熱による熱負荷や経年変化などにより、配線(直流主回路導体)間の絶縁層が劣化し、この絶縁層を挟む配線間にリーク電流が発生する虞がある。このようなリーク電流を検出するためには、電流センサを設けなければならず、製品コストが上昇する要因となる。
 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、電流センサを新たに設けることなく多層配線基板のリーク電流を検出できる電動モータの駆動制御装置及びその駆動制御方法を提供することにある。
 本発明の一側面に係る電動モータの駆動制御装置は、電動モータを駆動するように構成されたインバータ回路と、前記インバータ回路の母線電流を検出するシャント抵抗と、前記インバータ回路と前記シャント抵抗とが実装された多層配線基板と、前記多層配線基板の隣接層に絶縁層を介在して対向配置された、前記インバータ回路の上流側配線部及び下流側配線部と、前記多層配線基板に設けられ、前記上流側配線部から前記下流側配線部に流れるリーク電流を前記シャント抵抗に導くセンシングパターン層と、前記インバータ回路にPWM(Pulse Width Modulation)信号を入力して制御するように構成された制御ユニットであって、前記電動モータに回生電流が発生する期間に、前記シャント抵抗を流れる電流に基づいてリーク電流の有無を判定する制御ユニットと、を具備することを特徴とする。
 また、本発明の他の一側面に係る電動モータの駆動制御方法は、電動モータを駆動するように構成されたインバータ回路と、前記インバータ回路の母線電流を検出するシャント抵抗と、前記インバータ回路と前記シャント抵抗とが実装された多層配線基板と、前記多層配線基板の隣接層に絶縁層を介在して対向配置された、前記インバータ回路の上流側配線部及び下流側配線部と、前記多層配線基板に設けられ、前記上流側配線部から前記下流側配線部に流れるリーク電流を前記シャント抵抗に導くセンシングパターン層と、前記電動モータを駆動するように構成された制御ユニットと、を備える電動モータの駆動制御方法において、前記インバータ回路に前記制御ユニットからPWM(Pulse Width Modulation)信号を入力して制御し、前記電動モータを駆動することと、前記電動モータに回生電流が発生する期間に、前記制御ユニットで前記シャント抵抗を流れる電流に基づいてリーク電流の有無を判定することと、を具備することを特徴とする。
 本発明では、多層配線基板中に設けたセンシングパターン層と、母線電流検出用のシャント抵抗を利用してリーク電流を検出する。シャント抵抗には、電動モータに回生電流が発生する期間は電流が流れないので、この期間に電流が流れたか否かを検出することでリーク電流の有無を判定できる。
 したがって、本発明によれば、電流センサを新たに設けることなく多層配線基板のリーク電流を検出でき、製品コストの上昇を抑えることができる。
本発明の実施形態に係る電動モータの駆動制御装置の概略構成を示す回路図である。 図1に示した電動モータの駆動制御装置におけるインバータ回路の他の構成例を示す回路図である。 図1に示した電動モータの駆動制御装置における電流検出部の構成例を示す回路図である。 図1に示した電動モータの駆動制御装置における多層配線基板の第1層目の配線パターンの平面図である。 図1に示した多層配線基板の第2層目の配線パターンの平面図である。 図1に示した多層配線基板の第3層目の配線パターンの平面図である。 図1に示した多層配線基板の第4層目の配線パターンの平面図である。 図1に示した電動モータの駆動制御装置におけるリーク電流の検出タイミングを示す波形図である。
 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。
 図1は、本発明の実施形態に係る電動モータの駆動制御装置において、多層配線基板の配線パターン間に発生するリーク電流の検出に関係する要部を抽出して概略構成を示している。
 制御対象の電動モータ10は、本例では3相DCブラシレスモータであり、図示しない円筒状の固定子に、スター結線されたU相、V相及びW相の3相巻線11u,11v,11wを備える。この固定子の中央部に形成した空間には、永久磁石回転子(ロータ)が回転可能に設けられている。3相巻線11u,11v,11wにはそれぞれ、これらの巻線に流れる電流(相電流)を検出する電流センサ12u,12v,12wが直列接続されている。そして、この電動モータ10には、駆動制御装置からPWM(Pulse Width Modulation)信号が供給されて駆動制御されるようになっている。
 上記駆動制御装置は、多層配線基板20に実装された電子部品とマイクロコンピュータなどの制御ユニット30とで構成される。多層配線基板20には、インバータ回路21、シャント抵抗22、相電圧検出器23、平滑コンデンサ24、フィルタ回路25、電流検出部26、遮断リレー27及び逆流防止リレー28などの電子部品が、例えば半田付けで実装されている。
 インバータ回路21は、スイッチング素子T1~T6が3相ブリッジ接続されて構成される。各スイッチング素子T1~T6は、本例ではIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を用いているが、図2に示すようにFET(Field Effect Transistor)Q1~Q6など他の電力制御用の半導体素子でも良い。これらIGBTのコレクタ、エミッタ間にはそれぞれ、ダイオードD1~D6のカソード、アノードが通電方向を逆にして接続されている。FETの場合には、ドレイン・ソース間に寄生ダイオードD1’~D6’が形成される。
 このインバータ回路21の上流側配線部21aと下流側配線部21bとの間には、バッテリなどの直流電源40から、電源用電線(ホットライン)40aに設けた遮断リレー27、逆流防止リレー28及びノイズ除去用のフィルタ回路25を介して動作電源が供給される。ここでは、フィルタ回路25をインダクタ25aとコンデンサ25bのLC型で構成している。また、直流電源40の正極と負極間には、遮断リレー27と逆流防止リレー28を介して平滑コンデンサ24が接続されている。
 インバータ回路21におけるスイッチング素子T1~T6の制御端子(ゲート電極)には、制御ユニット30の出力が供給され(図示せず)、これらのスイッチング素子T1~T6のオン/オフがPWMによって制御されることで、電動モータ10に印加される電圧(モータ入力電圧)が制御される。
 この電動モータ10のU相、V相及びW相の電圧はそれぞれ、相電圧検出器23によって検出される。相電圧検出器23は、一端がU相、V相及びW相の駆動ライン29u,29v,29wにそれぞれ接続された抵抗R1~R3と、これら抵抗R1~R3の他端とグランド間に接続された抵抗R4とで構成され、抵抗R1~R3と抵抗R4との接続点から相電圧が出力される。この相電圧が、制御ユニット30に供給されてスイッチング素子T1~T6の制御に用いられる。
 シャント抵抗22の一端は、インバータ回路21の下流側(グランド側)配線部21bに接続され、他端はグランド用電線(コールドライン)40bを介して直流電源40の負極に接続される。このシャント抵抗22は、インバータ回路21の下流側配線部21bを流れる母線電流Imを検出し、電動モータ10の回転制御を行うために設けられている。
 また、本実施形態では、シャント抵抗22を、インバータ回路21の上流側配線部21aと下流側配線部21bとの間に介在される絶縁層に流れるリーク電流Isの検出にも利用している。シャント抵抗22の両端の電圧は、このシャント抵抗に流れる電流を検出するための電流検出部26に供給され、モータ制御用とショート電流検出用の電圧が制御ユニット30に内蔵されているA/Dコンバータに供給される。
 図3は、図1に示した電動モータ10の駆動制御装置における電流検出部26の構成例を示している。電流検出部26は、ここではゲインG1の増幅器26aとゲインG2の増幅器26b(ゲインG1>G2)で構成される例を示している。シャント抵抗22の両端に発生した電圧は、増幅器26aで増幅される。この増幅器26aには、オフセットバイアス電圧が印加されている。増幅器26aの出力信号は、電動モータ10の制御用として制御ユニット30中のA/Dコンバータ(ADC)に供給される。また、増幅器26aの出力信号が増幅器26bで更に増幅された出力信号が、ショート電流検出用として制御ユニット30中のA/Dコンバータ(ADC)に供給される。
 このように2段の増幅器26a,26bを用いてゲインを上げることで、シャント抵抗22で検出するリーク電流Isを高分解能、且つ高精度にモニタリングできる。特に、絶縁層を流れるショート電流は小さいので、2段の増幅器26a,26bで増幅することで、電流センサを設けた場合の検出精度の限界に近いような小さなリーク電流も検出できる。
 図4乃至図7はそれぞれ、図1に示した電動モータ10の駆動制御装置における多層配線基板20の第1層目乃至第4層目の配線パターンを示している。各配線パターン間、すなわち、第1層目と第2層目との間、第2層目と第3層目との間、及び第3層目と第4層目との間にはそれぞれ、絶縁層が介在されており、隣接層の配線パターンが対向配置されている。
 図4に示す第1層目の配線パターン20-1は、電子部品の搭載面になっており、配線パターン20-1上にはスイッチング素子T1~T6、シャント抵抗22、遮断リレー27及び逆流防止リレー28などが実装されている。
 なお、ここでは、説明を簡単にするために、相電圧検出器23、平滑コンデンサ24、フィルタ回路25及び電流検出部26などは省略している。
 第1層目の配線パターン20-1には、電動モータ10のU相、V相及びW相の駆動ライン29u,29v,29wに対応するパターン部P29u,P29v,P29wと、これらのパターン部P29u,P29v,P29wに隣接して配置されたセンシングパターン層PSu,PSv,PSwが設けられている。パターン部P29u,P29v,P29wにはそれぞれ、スイッチング素子T2,T4,T6のコレクタが接続され、センシングパターン層PSu,PSv,PSwにはそれぞれ、スイッチング素子T2,T4,T6のエミッタが接続される。これらパターン部P29u,P29v,P29wには、モータ接続用コネクタ50を介して電動モータ10が接続される。
 センシングパターン層PSuには、グランド用電線40bに対応するパターン部P40bが離隔して配置されており、センシングパターン層PSuとパターン部P40bとがシャント抵抗22を介して電気的に接続されている。センシングパターン層PSu,PSv,PSwはそれぞれ、インバータ回路21における電子部品のリーク故障、例えばスイッチング素子T1~T6のオン故障を検出するものである。スイッチング素子T1~T6のうち、いずれかのスイッチング素子がオン状態のままになり、本来オフすべきタイミングで電流が流れ続けると、これを検出するようになっている。
 例えば、電流検出部26で、シャント抵抗22に流れる電流値が、リーク電流検出のための第1所定値よりも大きい第2所定値を上回ることを制御ユニット30が検出したときに、スイッチング素子がオフしない故障であると判定する。この場合には、大電流が流れてインバータ回路21や他の電子部品の異常な発熱や焼損が発生する可能性があるので、制御ユニット30により遮断リレー27をオフさせて電動モータ10の駆動を直ちに停止させる。
 また、上記パターン部P29u,P29v,P29wにはそれぞれ、スイッチング素子T1,T3,T5のエミッタが接続され、インバータ回路21の上流側配線部21aに対応するパターン部P21aにはスイッチング素子T1,T3,T5のコレクタが接続される。電源用電線40aに対応するパターン部P40aは、上流側配線部21aに対応するパターン部P21aとの間に、パターン部P40cを挟むように隣接配置されている。パターン部P40cは、遮断リレー27と逆流防止リレー28とを接続する配線に対応する。そして、パターン部P40aとパターン部P40cが遮断リレー27を介して接続され、パターン部P40cとパターン部P21aとが逆流防止リレー28を介して接続されている。パターン部P40aとパターン部P40bには、直流電源40に接続するための電源線接続用コネクタ51が接続される。
 図5に示す第2層目の配線パターン(内層1)20-2には、上述した第1層目のパターン部P29u,P29v,P29w、センシングパターン層PSu,PSv,PSw、及びパターン部P21aに、図示しない絶縁層を介して対向し、これらのパターンよりも面積が大きいセンシングパターン層PSrが設けられている。このセンシングパターン層PSrは、第1層目と第3層目の配線パターン間の絶縁層に発生するリーク電流を検出するものであり、シャント抵抗22を介して、グランド用電線40bに対応するパターン部P40bに接続されている。このセンシングパターン層PSrとセンシングパターン層PSu,PSv,PSwは、スルーホールを介して接続されてインバータ回路21の下流側配線部21bを形成しており、この下流側配線部21bに流れる電流がシャント抵抗22の一端に導かれる。
 また、第1層目の配線パターン20-1に対応する位置に、電源用電線40aのパターン部P40a及びパターン部P40cが配置されている。
 図6に示す第3層目の配線パターン(内層2)20-3上には、上述したパターン部P29u,P29v,P29wに対応する位置に、これらのパターンよりも面積が大きいパターン部P29u,P29v,P29wが配置されている。また、第1層目と第2層目に対応するパターン部P40a、パターン部P40c、パターン部P21a及びパターン部P40bが配置されている。
 図7に示す第4層目(半田面)の配線パターン20-4上には、第3層目と同様なパターン部P29u,P29v,P29wが配置されている。また、パターン部P40a、パターン部P40c、パターン部P21a及びパターン部P40bが配置されている。
 そして、インバータ回路21、シャント抵抗22、遮断リレー27及び逆流防止リレー28などが、配線パターン20-4に半田付けされることで実装されている。
 多層配線基板20の第1層目乃至第4層目の配線パターン20-1~20-4におけるパターン部P40aとパターン部P40bには、コネクタ51を介して直流電源40が印加される。この直流電源40は、遮断リレー27と逆流防止リレー28を介してパターン部P21aに供給されるとともに、パターン部P40bからシャント抵抗22を介してセンシングパターン層PSu,PSv,PSw,PSrに供給される。これによって、インバータ回路21の上流側配線部21aと下流側配線部21b間に動作電源が供給され、スイッチング素子T1~T6のオン/オフ状態に応じたPWM信号が、駆動ライン29u,29v,29wに対応するパターン部P29u,P29v,P29wに供給される。そして、パターン部P29u,P29v,P29wにコネクタ50で接続された電動モータ10がPWM制御で駆動される。
 次に、上記のような構成において、リーク電流の検出動作について説明する。図8は、図1に示した電動モータの駆動制御装置におけるリーク電流Isの検出タイミングを示している。1サイクルのPWM周期では、2相の母線電流しか検出できず、残りの1相は各電流の和が「0」であることから推定する。図8ではW相の電流-IwとU相の電流Iuを矢印で示すタイミングで検出する例を示しており、シャント抵抗22で検出した電圧を電流検出部26から制御ユニット30中のA/Dコンバータに供給してディジタル化する。制御ユニット30では、このディジタル化した電圧からW相の電流-IwとU相の電流Iuを求める。V相の電流Ivは、「Iu+Iv+Iw=0」の関係から制御ユニット30で算出する。
 本実施形態では、PWM周期における電動モータ10に回生電流が発生する期間に、シャント抵抗22を流れる電流に基づいてリーク電流の有無を判定する。すなわち、PWM制御による回生期間には、通常、母線電流Imは流れない。しかし、例えば多層配線基板20における第1層目と第3層目の配線パターン20-1,20-3に介在される絶縁層が劣化し、炭化してリーク電流Isのパスができると電流が流れる。このリーク電流Isを、センシングパターン層PSrで受けてシャント抵抗22に導く。そして、電動モータ10に回生電流が発生する期間に、シャント抵抗22の両端の電圧を増幅し、制御ユニット30中のA/Dコンバータに供給してディジタル化して検出する。
 具体的には、シャント抵抗22に電流が流れた場合に、例えばこの電流の電流値が第1所定値以上の状態が所定期間継続したときに、リーク電流があると判定する。ここで、所定期間は、シャント抵抗22で検出した電流値が大きいほど短く、第1所定値は、電動モータ10を駆動する最大電流よりも小さい電流値である。これらのデータは、制御ユニット30中の記憶装置に予め記憶しておき、リーク電流を検出したときに参照して判定に用いるようにしてもよい。
 更に、シャント抵抗22に流れる電流値が第1所定値よりも大きい第2所定値を上回る場合には、遮断リレー27をオフして直流電源40の供給を遮断することで、電動モータ10の駆動を直ちに停止させれば、多層配線基板20の異常な発熱や電子部品の焼損を抑制できる。
 上記のような構成によれば、電動モータ10に回生電流が発生する期間に、母線電流検出用のシャント抵抗22を利用してリーク電流Isを検出できるので、電流センサを新たに設ける必要がない。センシングパターン層PSrは、多層配線基板20の形成時、例えば上流側配線部21a又は下流側配線部21bの形成時に、導体パターンを形成すればよいので、製品コストの上昇を抑えることができる。
 更に、インバータ回路21におけるスイッチング素子T1~T6がオン状態のままになり、本来オフすべきタイミングで電流が流れ続けるオン故障を検出することもできる。しかも、面積が広くシャント抵抗を介して電気的に接地されたセンシングパターン層PSrが両配線部21a,21b間に介在されることで、多層配線基板20から放射される電磁放射ノイズを遮蔽して抑制できる、という効果も得られる。
 なお、上記実施形態では、インバータ回路21のグランド側に設けたシャント抵抗22を利用してリーク電流Isを検出する下流シャント方式を例に取って説明したが、母線電流を電源側で検出する上流シャント方式にも同様に適用できる。
 また、センシングパターン層PSu,PSv,PSw及びPSrの配置や形状は、一例を示したに過ぎず、必要とする特性に合わせて様々な形状やサイズに変形可能なのは勿論である。
 更に、制御ユニット30を多層配線基板20とは別に設ける例を示したが、多層配線基板20上に実装しても構わない。
 以上実施形態を用いて本発明の説明を行ったが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題の少なくとも1つが解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果の少なくとも1つが得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
 10…電動モータ、11u,11v,11w…3相巻線、20…多層配線基板、20-1~20-4…配線パターン、21…インバータ回路、21a…上流側配線部、21b…下流側配線部、22…シャント抵抗、26…電流検出部、30…制御ユニット(マイクロコンピュータ)、T1~T6…スイッチング素子、PSu,PSv,PSw,PSr…センシングパターン層、Is…リーク電流、Im…母線電流

Claims (19)

  1.  電動モータを駆動するように構成されたインバータ回路と、
     前記インバータ回路の母線電流を検出するシャント抵抗と、
     前記インバータ回路と前記シャント抵抗とが実装された多層配線基板と、
     前記多層配線基板の隣接層に絶縁層を介在して対向配置された、前記インバータ回路の上流側配線部及び下流側配線部と、
     前記多層配線基板に設けられ、前記上流側配線部から前記下流側配線部に流れるリーク電流を前記シャント抵抗に導くセンシングパターン層と、
     前記インバータ回路にPWM(Pulse Width Modulation)信号を入力して制御するように構成された制御ユニットであって、前記電動モータに回生電流が発生する期間に、前記シャント抵抗を流れる電流に基づいてリーク電流の有無を判定する制御ユニットと、を具備することを特徴とする電動モータの駆動制御装置。
  2.  前記センシングパターン層が、前記上流側配線部と前記下流側配線部との間の前記絶縁層中に設けられ、前記シャント抵抗の一端に電気的に接続される、ことを特徴とする請求項1に記載の電動モータの駆動制御装置。
  3.  前記制御ユニットは、前記電動モータに回生電流が発生する期間に、前記シャント抵抗に電流が流れた場合に、電流値が第1所定値以上の状態が所定期間継続したときに、リーク電流があると判定する、ことを特徴とする請求項1に記載の電動モータの駆動制御装置。
  4.  前記所定期間は、前記シャント抵抗で検出した電流値が大きいほど短い、ことを特徴とする請求項3に記載の電動モータの駆動制御装置。
  5.  前記第1所定値は、前記電動モータを駆動する最大電流よりも小さい電流値である、ことを特徴とする請求項3に記載の電動モータの駆動制御装置。
  6.  前記制御ユニットは、前記シャント抵抗に流れる電流値が前記第1所定値よりも大きい第2所定値を上回るときには、前記電動モータの駆動を直ちに停止させる、ことを特徴とする請求項3に記載の電動モータの駆動制御装置。
  7.  前記インバータ回路の前記上流側配線部及び前記下流側配線部のうち、前記シャント抵抗で電流検出を行う側の配線部の面積が、電流検出を行わない側の配線部より大きい、ことを特徴とする請求項1に記載の電動モータの駆動制御装置。
  8.  前記電動モータのU相、V相及びW相の電圧を検出する相電圧検出器を更に具備し、前記相電圧検出器から出力される相電圧が前記制御ユニットに供給され、前記インバータ回路を構成するスイッチング素子の制御に用いられる、ことを特徴とする請求項1に記載の電動モータの駆動制御装置。
  9.  前記相電圧検出器は、一端が前記電動モータのU相、V相及びW相の駆動ラインにそれぞれ接続された第1乃至第3抵抗と、前記第1乃至第3抵抗の他端とグランド間に接続された第4抵抗とを含み、前記第1乃至第3抵抗と抵抗第4抵抗との接続点から相電圧が出力される、ことを特徴とする請求項8に記載の電動モータの駆動制御装置。
  10.  前記シャント抵抗に流れる電流を検出する電流検出部を更に具備し、前記電流検出部から出力されるモータ制御用の第1電圧とショート電流検出用の第2電圧が前記制御ユニットに供給される、ことを特徴とする請求項1に記載の電動モータの駆動制御装置。
  11.  前記電流検出部は、前記シャント抵抗の両端に発生した電圧を第1ゲインで増幅する第1増幅器と、前記第1増幅器の出力信号を前記第1ゲインよりも小さい第2ゲインで増幅する第2増幅器とを含み、前記第1増幅器の出力信号が前記電動モータの制御用として前記制御ユニットに供給され、前記第2増幅器の出力信号がショート電流検出用として前記制御ユニットに供給される、ことを特徴とする請求項10に記載の電動モータの駆動制御装置。
  12.  前記第1増幅器には、オフセットバイアス電圧が印加される、ことを特徴とする請求項11に記載の電動モータの駆動制御装置。
  13.  前記制御ユニットは、前記第1増幅器の出力信号及び前記第2増幅器の出力信号が供給されるA/Dコンバータを含む、ことを特徴とする請求項11に記載の電動モータの駆動制御装置。
  14.  電動モータを駆動するように構成されたインバータ回路と、前記インバータ回路の母線電流を検出するシャント抵抗と、前記インバータ回路と前記シャント抵抗とが実装された多層配線基板と、前記多層配線基板の隣接層に絶縁層を介在して対向配置された、前記インバータ回路の上流側配線部及び下流側配線部と、前記多層配線基板に設けられ、前記上流側配線部から前記下流側配線部に流れるリーク電流を前記シャント抵抗に導くセンシングパターン層と、前記電動モータを駆動するように構成された制御ユニットと、を備える電動モータの駆動制御方法において、
     前記インバータ回路に前記制御ユニットからPWM(Pulse Width Modulation)信号を入力して制御し、前記電動モータを駆動することと、
     前記電動モータに回生電流が発生する期間に、前記制御ユニットで前記シャント抵抗を流れる電流に基づいてリーク電流の有無を判定することと、を具備することを特徴とする電動モータの駆動制御方法。
  15.  前記制御ユニットは、前記電動モータに回生電流が発生する期間に、前記シャント抵抗に電流が流れた場合に、電流値が第1所定値以上の状態が所定期間継続したときに、リーク電流があると判定する、ことを特徴とする請求項14に記載の電動モータの駆動制御方法。
  16.  前記所定期間は、前記シャント抵抗で検出した電流値が大きいほど短い、ことを特徴とする請求項15に記載の電動モータの駆動制御方法。
  17.  前記第1所定値は、前記電動モータを駆動する最大電流よりも小さい電流値である、ことを特徴とする請求項15に記載の電動モータの駆動制御方法。
  18.  前記制御ユニットは、前記シャント抵抗に流れる電流値が前記第1所定値よりも大きい第2所定値を上回るときには、前記電動モータの駆動を直ちに停止させる、ことを特徴とする請求項15に記載の電動モータの駆動制御方法。
  19.  前記制御ユニットは、1サイクルのPWM周期で、前記電動モータの2相の母線電流を検出し、残りの1相は各電流の和が「0」であることから推定する、ことを特徴とする請求項14に記載の電動モータの駆動制御方法。
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