WO2023026734A1 - モータ駆動装置、異常検出方法、および異常検出プログラム - Google Patents

モータ駆動装置、異常検出方法、および異常検出プログラム Download PDF

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abnormality
capacitor
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貴紀 福田
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode

Definitions

  • the present disclosure relates to a motor drive device, an abnormality detection method, and an abnormality detection program.
  • a motor drive device that includes a smoothing circuit having a capacitor for smoothing DC power and an inverter circuit that converts the smoothed DC power into AC power and supplies it to a motor (for example, see Patent Reference 1).
  • the motor drive device of Patent Document 1 further includes a current limiting circuit that is provided between a battery that outputs DC power and a smoothing circuit to limit rush current flowing through the capacitor, and the current limiting circuits are connected in series with each other. It has an inrush resistance and a switching element.
  • some motor drive devices have smoothing circuit output terminals that can be accessed from the outside of the device.
  • the smoothing circuit will be short-circuited. If you try to drive the motor with the smoothing circuit short-circuited, overcurrent will flow through the inrush resistance of the current limiting circuit for a long period of time. In that case, the rush resistor may be damaged. Under such circumstances, one object of the present disclosure is to protect the inrush resistor from overcurrent for a long period of time.
  • the motor drive device includes a DC output unit that outputs DC power, a smoothing circuit that has a capacitor that smoothes the DC power output from the DC output unit, and converts the smoothed DC power into AC power.
  • a current limiting circuit provided between the DC output unit and the smoothing circuit for limiting rush current flowing through the capacitor; and an abnormality detection unit for detecting a short-circuit abnormality in the smoothing circuit. And prepare.
  • the current limiting circuit has an inrush resistor and a first switching element connected in series with each other.
  • the abnormality detection section brings the first switching element into a conducting state for a first period of time while the DC power is being output from the DC output section, so that the voltage across the terminals of the capacitor reaches the first level within the first period of time. 1 threshold is exceeded, and if the terminal voltage does not exceed the first threshold, it is determined that a short-circuit abnormality has occurred in the smoothing circuit.
  • the abnormality detection method is an abnormality detection method for detecting a short-circuit abnormality in a smoothing circuit of a motor drive device.
  • a motor drive device includes a DC output unit that outputs DC power, a smoothing circuit that has a capacitor that smoothes the DC power output from the DC output unit, and converts the smoothed DC power into AC power.
  • An inverter circuit that supplies a motor, and a current limiting circuit that is provided between the DC output unit and the smoothing circuit and limits a rush current flowing through the capacitor.
  • the current limiting circuit has an inrush resistor and a first switching element connected in series with each other.
  • the abnormality detection method includes a conduction step of turning on the first switching element for a first time while the DC power is being output from the DC output unit; a voltage determination step of determining whether or not a first threshold value is exceeded within a time period; and if the terminal voltage does not exceed the first threshold value within the first time period, a short-circuit abnormality has occurred in the smoothing circuit. and an abnormality determination step of determining.
  • the abnormality detection program is a program for causing a computer to execute the above-described abnormality detection method.
  • the inrush resistance can be protected from overcurrent for a long period of time.
  • FIG. 1 is a schematic circuit diagram of a motor drive device according to Embodiment 1.
  • FIG. It is a time chart of an example of an abnormality detection method, and is a time chart at the time of normality. It is a time chart of an example of an abnormality detection method, and is a time chart at the time of short-circuit abnormality.
  • FIG. 10 is a circuit diagram schematically showing a motor drive device of Embodiment 2;
  • a motor drive device includes a DC output section, a smoothing circuit, an inverter circuit, a current limiting circuit, and an abnormality detection section.
  • the DC output unit outputs DC power.
  • the DC output unit may be, for example, a converter circuit that converts AC power from an AC power supply into DC power, or may be a battery as a DC power supply.
  • the converter circuit may have multiple (eg, six) diode elements.
  • the converter circuit may be a full-wave rectification system or a half-wave rectification system.
  • the smoothing circuit has a capacitor that smoothes the DC power output from the DC output unit.
  • the capacitors may be electrolytic capacitors or other types of capacitors.
  • the capacitors may be modules of two or more connected in series or in parallel.
  • the inverter circuit converts the smoothed DC power into AC power and supplies it to a motor (for example, a three-phase synchronous motor).
  • the inverter circuit may have a plurality (eg, six) of switching elements (eg, Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT). Each switching element may be switched between a conducting state and a non-conducting state by a gate drive circuit.
  • the current limiting circuit is provided between the DC output section and the smoothing circuit.
  • a current limiting circuit limits the inrush current flowing through the capacitor.
  • the current limiting circuit has an inrush resistor and a first switching element connected in series with each other.
  • the rush resistor may be, for example, a fixed resistor or a thermistor.
  • the first switching element may be, for example, a relay or a field effect transistor. The first switching element may be normally open.
  • the anomaly detection unit detects short-circuit anomalies in the smoothing circuit.
  • the short-circuit abnormality of the smoothing circuit means that both terminals of the capacitor are electrically short-circuited.
  • An example of such a state is a state in which the hot line and the ground line connecting the smoothing circuit and the inverter circuit are short-circuited to each other.
  • the abnormality detection unit brings the first switching element into a conductive state for a first time while DC power is being output from the DC output unit.
  • the capacitor is charged according to the time constant of the RC circuit composed of the inrush resistor and the capacitor.
  • the first time is set to a length that does not damage circuit elements such as a rush resistor even if a short-circuit abnormality occurs in the smoothing circuit (that is, even if an overcurrent temporarily flows through the rush resistor).
  • the first time may be, for example, 0.05 seconds or more and 0.5 seconds or less.
  • the abnormality detection unit determines whether or not the voltage between the terminals of the capacitor exceeds the first threshold within the first time.
  • the first threshold may be, for example, greater than or equal to 10% and less than or equal to 50% of the voltage across the terminals of the capacitor charged over the first period of time under normal conditions. Note that the first threshold can be set arbitrarily besides this.
  • the abnormality detection unit determines that a short-circuit abnormality has occurred in the smoothing circuit when the voltage between the terminals of the capacitor does not exceed the first threshold within the first time.
  • the abnormality detection unit may determine that the short-circuit abnormality does not occur in the smoothing circuit when the voltage between the terminals of the capacitor exceeds the first threshold within the first time. If the smoothing circuit has a short-circuit abnormality, the inrush resistance can be protected from overcurrent for a long period of time by not executing subsequent motor drive control.
  • the current limiting circuit may further have a second switching element connected in parallel with the inrush resistance and the first switching element.
  • the current limiting circuit in this case is a so-called active current limiting circuit. According to this configuration, when detecting a short-circuit abnormality in the smoothing circuit, the second switching element is kept in a non-conducting state, and when it is known that a short-circuit abnormality has not occurred in the smoothing circuit and the motor drive control is executed. By making the second switching element conductive, it is possible to suppress power loss in the current limiting circuit when the motor is driven.
  • the abnormality detection unit may maintain the first switching element in a non-conducting state while the motor is being driven. As a result, when the motor is driven, the path through which the current flows from the DC output section to the smoothing circuit and the inverter circuit via the rush resistor and the first switching element is cut off. Therefore, even if the second switching element becomes non-conductive when the motor is driven, an overcurrent does not flow through the rush resistor. In this way, the effect of protecting the rush resistance can be further enhanced.
  • the motor drive device may further include a regenerative circuit that consumes regenerated power during regenerative operation of the motor.
  • the regenerative circuit may have a third switching element with one main terminal connected between the inrush resistor and the first switching element.
  • the rush resistance may also serve as the regeneration resistance of the regeneration circuit.
  • the inrush resistor functions to limit the inrush current flowing through the capacitor while the first switching element is conducting when an abnormality is detected in the smoothing circuit. Demonstrates the function of consuming regenerative power in a conductive state. By making the inrush resistor perform two functions, it is possible to reduce the size and cost of the motor drive device.
  • An abnormality detection method is a method for detecting a short-circuit abnormality in a smoothing circuit in the motor drive device described above, and includes a conduction step, a voltage determination step, and an abnormality determination step.
  • the first switching element is brought into conduction for the first time while DC power is being output from the DC output section.
  • the capacitor is charged according to the time constant of the RC circuit composed of the inrush resistor and the capacitor.
  • the capacitor is hardly charged.
  • the voltage determination step it is determined whether or not the voltage across the terminals of the capacitor exceeds the first threshold within the first time. In the voltage determination step, it may be determined whether or not the inter-terminal voltage exceeds the first threshold when the first time has elapsed. Alternatively, in the voltage determination step, it may be determined whether or not the inter-terminal voltage exceeds the first threshold value before or after the first time period.
  • the abnormality determination step if the voltage between the terminals of the capacitor does not exceed the first threshold within the first time, it is determined that the smoothing circuit has a short-circuit abnormality. In the abnormality determination step, it may be determined that a short-circuit abnormality does not occur in the smoothing circuit when the voltage between the terminals of the capacitor exceeds the first threshold value.
  • An abnormality detection program is a program (software) for causing a computer to execute the above-described abnormality detection method.
  • the anomaly detection program may be recorded on a computer-readable medium capable of storing non-transitory data. By installing a program recorded on such a computer-readable medium in a computer, the computer can be caused to execute the above-described abnormality detection method.
  • FIG. 1 is a schematic circuit diagram of the motor drive device of Embodiment 1.
  • the motor drive device 4 of this embodiment is a device that drives a motor 3 to rotate using power supplied from an AC power supply 1 .
  • the AC power supply 1 may be, for example, a commercial power supply.
  • the motor drive device 4 includes a converter circuit 10 , a regeneration circuit 20 , a smoothing circuit 30 , an inverter circuit 40 , a current limiting circuit 50 and a controller 60 .
  • the converter circuit 10 is provided downstream of the AC power supply 1 and the switch 2 (opened and closed by the host system 5).
  • the converter circuit 10 converts AC power output from the AC power supply 1 into DC power and outputs the DC power.
  • the converter circuit 10 of this embodiment is of a full-wave rectification type with six diodes, but is not limited to this.
  • Converter circuit 10 is an example of a DC output unit.
  • the regeneration circuit 20 is provided between the converter circuit 10 and the inverter circuit 40 .
  • the regenerative circuit 20 has a regenerative resistor 21 and a third switching element 22 connected in series with each other.
  • the regenerative circuit 20 consumes the regenerated electric power with the third switching element 22 turned on by the controller 60 during the regenerative operation of the motor 3 .
  • the regenerative circuit 20 further has a second diode 23 connected in parallel with the regenerative resistor 21 .
  • the second diode 23 has the function of reducing the surge voltage when the third switching element 22 transitions from the conducting state to the non-conducting state.
  • the smoothing circuit 30 is provided downstream of the converter circuit 10 .
  • Smoothing circuit 30 has a capacitor 31 that smoothes the DC power output from converter circuit 10 .
  • the capacitor 31 of this embodiment is composed of an electrolytic capacitor, but is not limited to this.
  • the inverter circuit 40 is provided downstream of the smoothing circuit 30 .
  • the inverter circuit 40 converts the DC power supplied by the smoothing circuit 30 into AC power and supplies the AC power to the motor 3 .
  • the inverter circuit 40 may include, for example, six switching elements and six free wheel diodes respectively corresponding to the six switching elements.
  • the current limiting circuit 50 is provided between the converter circuit 10 and the smoothing circuit 30 .
  • the current limiting circuit 50 has an inrush resistor 51 and a first switching element 52 connected in series with each other, and a second switching element 53 connected in parallel therewith.
  • the first switching element 52 of the present embodiment is composed of a normally open relay, but is not limited to this.
  • the second switching element 53 of this embodiment is composed of a thyristor, but is not limited to this.
  • Current limiting circuit 50 further comprises a first diode 54 connected in parallel with inrush resistor 51 .
  • the first diode 54 has the function of reducing the surge voltage when the first switching element 52 transitions from the conducting state to the non-conducting state.
  • the controller 60 has an arithmetic device and a storage device that stores a program (including an anomaly detection program) that can be executed by the arithmetic device.
  • the controller 60 receives signals from one or more sensors 6 (for example, an angle sensor that detects the motor angle, a current sensor that detects the motor current, etc.), and controls the first switching element 22 and the second switching element 52. , controls the switching operations of the third switching element 53 and the inverter circuit 40 .
  • Controller 60 detects a short-circuit abnormality in smoothing circuit 30 .
  • the abnormality detection operation (abnormality detection method) by the controller 60 will be described later in detail. Controller 60 is an example of an anomaly detector.
  • FIG. 2A is a time chart of an example of an abnormality detection method, which is a time chart during normal operation.
  • FIG. 2B is a time chart of an example of an abnormality detection method, and is a time chart at the time of short-circuit abnormality.
  • the abnormality detection method is implemented by the controller 60 executing an abnormality detection program stored in the storage device with the arithmetic device.
  • the abnormality detection method includes a conduction step, a voltage determination step, and an abnormality determination step.
  • the controller 60 controls the first switching over a first time period (from time t 0 to time t 1 ) with the switch 2 closed, that is, with DC power being output from the converter circuit 10 .
  • Device 52 is brought into conduction.
  • the capacitor 31 is charged in the normal state shown in FIG. 2A.
  • the capacitor 31 is hardly charged during the short-circuit abnormality shown in FIG. 2B.
  • the controller 60 determines whether or not the voltage across the terminals of the capacitor 31 exceeds the first threshold Vth within the first time. In this embodiment, the controller 60 determines whether or not the voltage across the terminals of the capacitor 31 exceeds the first threshold Vth when the first time has elapsed (time t 1 ). Note that the controller 60 may determine whether or not the inter-terminal voltage exceeds the first threshold Vth before or after the first time elapses. Note that the voltage between terminals of the capacitor 31 may be measured by a voltage detection circuit (not shown).
  • the controller 60 determines that a short-circuit abnormality has occurred in the smoothing circuit 30 when the voltage across the terminals of the capacitor 31 does not exceed the first threshold value Vth. In this case, as shown in FIG. 2B, the controller 60 maintains the first switching element 52 and the second switching element 53 in a non-conducting state after the determination. This can prevent the capacitor 31 from being damaged by overcurrent.
  • the controller 60 determines that the smoothing circuit 30 is not short-circuited when the voltage across the terminals of the capacitor 31 exceeds the first threshold value Vth. In this case, as shown in FIG. 2A, the controller 60 puts the first switching element 52 into conduction again (from time t 2 to time t 3 ) and charges the capacitor 31 after the determination. When the charging of the capacitor 31 is completed, the controller 60 turns off the first switching element 52 and turns on the second switching element 53 to start driving control of the motor 3 . Note that the controller 60 maintains the first switching element 52 in a non-conducting state while the motor 3 is being driven.
  • the motor drive device 4 of the present embodiment differs from that of the first embodiment in that the rush resistor 51 also serves as the regeneration resistor 21 of the regeneration circuit 20 . Differences from the first embodiment will be mainly described below.
  • FIG. 3 is a schematic circuit diagram of the motor driving device 4 of the second embodiment.
  • one main terminal (collector terminal in this example) of the third switching element 22 of the regenerative circuit 20 is connected between the rush resistor 51 and the first switching element 52 .
  • the other main terminal (emitter terminal in this example) of the third switching element 22 is connected to the ground line.
  • the second switching element 53 of the present embodiment is configured not by a thyristor but by a switching element (for example, a relay) capable of conducting electricity in both directions.
  • the controller 60 brings the second switching element 53 and the third switching element 22 into conduction during the regenerative operation of the motor 3 .
  • regenerative current flows through the second switching element 53, the rush resistor 51 (regenerative resistor 21), and the third switching element 22 in that order, and the rush resistor 51 consumes the regenerated power.
  • the present disclosure can be used for a motor drive device, an abnormality detection method for a motor drive device, and an abnormality detection program.

Abstract

突入抵抗を長時間の過電流から保護する。モータ駆動装置は、直流出力部と、コンデンサを有する平滑回路と、インバータ回路と、直流出力部と平滑回路との間に設けられた電流制限回路と、平滑回路の短絡異常を検出する異常検出部と、を備える。電流制限回路は、互いに直列接続された突入抵抗および第１スイッチング素子を有する。異常検出部は、直流出力部から直流電力が出力されている状態で、第１時間にわたって第１スイッチング素子を導通状態にし、コンデンサの端子間電圧が第１時間内に第１閾値（Ｖth）を上回るか否かを判定し、コンデンサの端子間電圧が前記第１時間内に第１閾値（Ｖth）を上回らなかった場合、平滑回路に短絡異常が生じていると判定する。

Description

モータ駆動装置、異常検出方法、および異常検出プログラム
　本開示は、モータ駆動装置、異常検出方法、および異常検出プログラムに関する。
　従来、直流電力を平滑化するコンデンサを有する平滑回路と、平滑化された直流電力を交流電力に変換してモータに供給するインバータ回路と、を備えるモータ駆動装置が知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１のモータ駆動装置は、直流電力を出力するバッテリと平滑回路との間に設けられ、コンデンサに流れる突入電流を制限する電流制限回路をさらに備え、この電流制限回路は、互いに直列接続された突入抵抗およびスイッチング素子を有する。
特開２０１１－０１４２８２号公報
　ところで、モータ駆動装置には、平滑回路の出力端子が装置外部からアクセス可能になっているものがある。そのようなモータ駆動装置において、平滑回路の出力端子同士が誤って接続されると、平滑回路が短絡した状態になる。平滑回路が短絡した状態でモータを駆動しようとすると、電流制限回路の突入抵抗に長時間にわたって過電流が流れる。その場合、突入抵抗が破損してしまうおそれがある。このような状況において、本開示は、突入抵抗を長時間の過電流から保護することを目的の１つとする。
　本開示に係る一側面は、モータ駆動装置に関する。当該モータ駆動装置は、直流電力を出力する直流出力部と、前記直流出力部から出力される前記直流電力を平滑化するコンデンサを有する平滑回路と、平滑化された直流電力を交流電力に変換してモータに供給するインバータ回路と、前記直流出力部と前記平滑回路との間に設けられ、前記コンデンサに流れる突入電流を制限する電流制限回路と、前記平滑回路の短絡異常を検出する異常検出部と、を備える。前記電流制限回路は、互いに直列接続された突入抵抗および第１スイッチング素子を有する。前記異常検出部は、前記直流出力部から前記直流電力が出力されている状態で、第１時間にわたって前記第１スイッチング素子を導通状態にし、前記コンデンサの端子間電圧が前記第１時間内に第１閾値を上回るか否かを判定し、前記端子間電圧が前記第１閾値を上回らなかった場合、前記平滑回路に短絡異常が生じていると判定する。
　本開示に係る別の一側面は、異常検出方法に関する。当該異常検出方法は、モータ駆動装置が有する平滑回路の短絡異常を検出する異常検出方法である。モータ駆動装置は、直流電力を出力する直流出力部と、前記直流出力部から出力される前記直流電力を平滑化するコンデンサを有する平滑回路と、平滑化された直流電力を交流電力に変換してモータに供給するインバータ回路と、前記直流出力部と前記平滑回路との間に設けられ、前記コンデンサに流れる突入電流を制限する電流制限回路と、を備える。前記電流制限回路は、互いに直列接続された突入抵抗および第１スイッチング素子を有する。前記異常検出方法は、前記直流出力部から前記直流電力が出力されている状態で、第１時間にわたって前記第１スイッチング素子を導通状態にする導通工程と、前記コンデンサの端子間電圧が前記第１時間内に第１閾値を上回るか否かを判定する電圧判定工程と、前記端子間電圧が前記第１時間内に前記第１閾値を上回らなかった場合、前記平滑回路に短絡異常が生じていると判定する異常判定工程と、を備える。
　本開示に係る別の一側面は、異常検出プログラムに関する。当該異常検出プログラムは、上述の異常検出方法をコンピュータに実行させるためのプログラムである。
　本開示によれば、突入抵抗を長時間の過電流から保護することができる。
実施形態１のモータ駆動装置を概略的に示す回路図である。 異常検出方法の一例のタイムチャートであって、正常時のタイムチャートである。 異常検出方法の一例のタイムチャートであって、短絡異常時のタイムチャートである。 実施形態２のモータ駆動装置を概略的に示す回路図である。
　本開示に係るモータ駆動装置、異常検出方法、および異常検出プログラムの実施形態について例を挙げて以下に説明する。しかしながら、本開示は以下に説明する例に限定されない。以下の説明では、具体的な数値や材料を例示する場合があるが、本開示の効果が得られる限り、他の数値や材料を適用してもよい。
　（モータ駆動装置）
　本開示に係るモータ駆動装置は、直流出力部と、平滑回路と、インバータ回路と、電流制限回路と、異常検出部とを備える。
　直流出力部は、直流電力を出力する。直流出力部は、例えば、交流電源の交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路であってもよいし、直流電源としてのバッテリであってもよい。コンバータ回路は、複数（例えば、６つ）のダイオード素子を有してもよい。コンバータ回路は、全波整流方式であってもよいし、半波整流方式であってもよい。
　平滑回路は、直流出力部から出力される直流電力を平滑化するコンデンサを有する。コンデンサは、電解コンデンサであってもよく、これ以外の種類のコンデンサであってもよい。コンデンサは、２つ以上が直列または並列に接続されたモジュールであってもよい。
　インバータ回路は、平滑化された直流電力を交流電力に変換してモータ（例えば、三相同期電動機）に供給する。インバータ回路は、複数（例えば、６つ）のスイッチング素子（例えば、Insulated Gate Bipolar Transistor、ＩＧＢＴ）を有してもよい。各スイッチング素子は、ゲートドライブ回路によって導通状態と非導通状態とを切り替えられてもよい。
　電流制限回路は、直流出力部と平滑回路との間に設けられる。電流制限回路は、コンデンサに流れる突入電流を制限する。電流制限回路は、互いに直列接続された突入抵抗および第１スイッチング素子を有する。突入抵抗は、例えば、固定抵抗であってもよいし、サーミスタであってもよい。第１スイッチング素子は、例えば、リレーであってもよいし、電界効果トランジスタであってもよい。第１スイッチング素子は、ノーマルオープンであってもよい。
　異常検出部は、平滑回路の短絡異常を検出する。ここで、平滑回路の短絡異常とは、コンデンサの両端子が電気的に短絡した状態にあることをいう。そのような状態の一例として、平滑回路とインバータ回路とを接続するホットラインおよびグランドラインが互いに短絡している状態が挙げられる。
　異常検出部は、直流出力部から直流電力が出力されている状態で、第１時間にわたって第１スイッチング素子を導通状態にする。これにより、正常時であれば、突入抵抗およびコンデンサで構成されるＲＣ回路の時定数にしたがって当該コンデンサが充電されていく。一方、平滑回路に短絡異常が生じていれば、コンデンサはほとんど充電されない。第１時間は、平滑回路に短絡異常が生じていても（すなわち、突入抵抗に一時的に過電流が流れても）、突入抵抗などの回路素子が破損しない程度の長さに設定される。第１時間は、例えば、０．０５秒以上、０．５秒以下であってもよい。
　異常検出部は、コンデンサの端子間電圧が第１時間内に第１閾値を上回るか否かを判定する。第１閾値は、例えば、正常な状態で第１時間にわたって充電されたコンデンサの端子間電圧の１０％以上、５０％以下であってもよい。なお、第１閾値は、これ以外にも任意に設定可能である。異常検出部は、コンデンサの端子間電圧が第１時間内に第１閾値を上回らなかった場合、平滑回路に短絡異常が生じていると判定する。異常検出部は、コンデンサの端子間電圧が第１時間内に第１閾値を上回った場合、平滑回路に短絡異常が生じていないと判定してよい。平滑回路に短絡異常が生じている場合、その後のモータ駆動制御を実行しないことで、突入抵抗を長時間の過電流から保護することができる。
　電流制限回路は、突入抵抗および第１スイッチング素子と並列に接続された第２スイッチング素子をさらに有してもよい。この場合の電流制限回路は、いわゆるアクティブ型の電流制限回路である。この構成によると、平滑回路の短絡異常を検出する際には第２スイッチング素子を非導通状態にしておき、平滑回路に短絡異常が生じてないことがわかってモータ駆動制御を実行する際には第２スイッチング素子を導通状態にすることで、モータ駆動時における電流制限回路での電力損失を抑制することができる。
　異常検出部は、モータの駆動中、第１スイッチング素子を非導通状態に維持してもよい。これにより、モータ駆動時において、直流出力部から突入抵抗および第１スイッチング素子を介して平滑回路およびインバータ回路へ電流が流れる経路が遮断される。よって、モータ駆動時に第２スイッチング素子が非導通になる異常が生じても、突入抵抗に過電流が流れることがない。このように、突入抵抗を保護する効果をより一層高めることができる。
　モータ駆動装置は、モータの回生動作時に回生電力を消費する回生回路をさらに備えてもよい。回生回路は、一方の主端子が突入抵抗と第１スイッチング素子との間に接続された第３スイッチング素子を有してもよい。突入抵抗は、回生回路の回生抵抗を兼ねてもよい。この構成によると、突入抵抗は、平滑回路の異常検出時には、第１スイッチング素子が導通した状態でコンデンサに流れる突入電流を制限する機能を発揮する一方、モータの回生動作時には、第３スイッチング素子が導通した状態で回生電力を消費する機能を発揮する。突入抵抗に２つの機能を担わせることで、モータ駆動装置の小型化および低コスト化を実現することができる。
　（異常検出方法）
　本開示に係る異常検出方法は、上述のモータ駆動装置において平滑回路の短絡異常を検出する方法であって、導通工程と、電圧判定工程と、異常判定工程とを備える。
　導通工程では、直流出力部から直流電力が出力されている状態で、第１時間にわたって第１スイッチング素子を導通状態にする。これにより、正常時であれば、突入抵抗およびコンデンサで構成されるＲＣ回路の時定数にしたがって当該コンデンサが充電されていく。一方、平滑回路に短絡異常が生じていれば、コンデンサはほとんど充電されない。
　電圧判定工程では、コンデンサの端子間電圧が第１時間内に第１閾値を上回るか否かを判定する。電圧判定工程では、第１時間の経過時において、当該端子間電圧が第１閾値を上回るか否かを判定してもよい。あるいは、電圧判定工程では、第１時間の経過前または経過後において、当該端子間電圧が第１閾値を上回るか否かを判定してもよい。
　異常判定工程では、コンデンサの端子間電圧が第１時間内に第１閾値を上回らなかった場合、平滑回路に短絡異常が生じていると判定する。異常判定工程では、コンデンサの端子間電圧が第１閾値を上回った場合、平滑回路に短絡異常が生じていないと判定してもよい。
　（異常検出プログラム）
　本開示に係る異常検出プログラムは、上述の異常検出方法をコンピュータに実行させるためのプログラム（ソフトウェア）である。異常検出プログラムは、非一時的なデータを記憶可能なコンピュータ読み取り可能媒体に記録されてもよい。そのようなコンピュータ読み取り可能媒体に記録されたプログラムをコンピュータにインストールすることにより、当該コンピュータに上述の異常検出方法を実行させることができる。
　以上のように、本開示によれば、平滑回路の短絡異常を検出することで、突入抵抗を長時間の過電流から保護することができる。
　以下では、本開示に係るモータ駆動装置、異常検出方法、および異常検出プログラムの一例について、図面を参照して具体的に説明する。以下で説明する一例のモータ駆動装置、異常検出方法、および異常検出プログラムの構成要素および工程には、上述した構成要素および工程を適用できる。以下で説明する一例のモータ駆動装置、異常検出方法、および異常検出プログラムの構成要素および工程は、上述した記載に基づいて変更できる。また、以下で説明する事項を、上記の実施形態に適用してもよい。以下で説明する一例のモータ駆動装置、異常検出方法、および異常検出プログラムの構成要素および工程のうち、本開示に係るモータ駆動装置、異常検出方法、および異常検出プログラムに必須ではない構成要素および工程は省略してもよい。なお、以下で示す図は模式的なものであり、実際の部材の形状や数を正確に反映するものではない。
　《実施形態１》
　本開示の実施形態１について説明する。図１は、実施形態１のモータ駆動装置を概略的に示す回路図である。図１に示すように、本実施形態のモータ駆動装置４は、交流電源１から供給される電力を利用してモータ３を回転するように駆動する装置である。交流電源１は、例えば商用電源であってもよい。モータ駆動装置４は、コンバータ回路１０と、回生回路２０と、平滑回路３０と、インバータ回路４０と、電流制限回路５０と、制御器６０とを備える。
　コンバータ回路１０は、交流電源１および開閉器２（上位システム５によって開閉される。）の下流に設けられる。コンバータ回路１０は、交流電源１から出力される交流電力を直流電力に変換して出力する。本実施形態のコンバータ回路１０は、６つのダイオードを備える全波整流方式であるが、これに限定されるものではない。コンバータ回路１０は、直流出力部の一例である。
　回生回路２０は、コンバータ回路１０とインバータ回路４０との間に設けられる。回生回路２０は、互いに直列接続された回生抵抗２１および第３スイッチング素子２２を有する。回生回路２０は、モータ３の回生動作時に、制御器６０により第３スイッチング素子２２が導通状態にされた状態で回生電力を消費する。回生回路２０は、回生抵抗２１と並列に接続された第２ダイオード２３をさらに有する。この第２ダイオード２３は、第３スイッチング素子２２が導通状態から非導通状態に遷移する際のサージ電圧を低減する機能を有する。
　平滑回路３０は、コンバータ回路１０の下流に設けられる。平滑回路３０は、コンバータ回路１０が出力した直流電力を平滑化するコンデンサ３１を有する。本実施形態のコンデンサ３１は、電解コンデンサで構成されるが、これに限定されるものではない。
　インバータ回路４０は、平滑回路３０の下流に設けられる。インバータ回路４０は、平滑回路３０が供給する直流電力を交流電力に変換してモータ３に供給する。インバータ回路４０は、例えば、６つのスイッチング素子と、６つのスイッチング素子にそれぞれ対応する６つの還流ダイオードとを備えてもよい。
　電流制限回路５０は、コンバータ回路１０と平滑回路３０との間に設けられる。電流制限回路５０は、互いに直列接続された突入抵抗５１および第１スイッチング素子５２と、これらに並列接続された第２スイッチング素子５３とを有する。本実施形態の第１スイッチング素子５２は、ノーマルオープンのリレーで構成されるが、これに限定されるものではない。本実施形態の第２スイッチング素子５３は、サイリスタで構成されるが、これに限定されるものではない。電流制限回路５０は、突入抵抗５１と並列に接続された第１ダイオード５４をさらに有する。この第１ダイオード５４は、第１スイッチング素子５２が導通状態から非導通状態に遷移する際のサージ電圧を低減する機能を有する。
　制御器６０は、演算装置と、演算装置によって実行可能なプログラム（異常検出プログラムを含む。）が格納された記憶装置とを有する。制御器６０は、単数または複数のセンサ６（例えば、モータ角度を検出する角度センサや、モータ電流を検出する電流センサなど）からの信号を受けて、第１スイッチング素子２２、第２スイッチング素子５２，第３スイッチング素子５３およびインバータ回路４０のスイッチング動作を制御する。制御器６０は、平滑回路３０の短絡異常を検出する。制御器６０による異常検出動作（異常検出方法）について、詳しくは後述する。制御器６０は、異常検出部の一例である。
　－異常検出方法－
　上述のモータ駆動装置４において平滑回路３０の短絡異常を検出する方法（異常検出方法）について、図２Ａおよび図２Ｂを参照して説明する。図２Ａは、異常検出方法の一例のタイムチャートであって、正常時のタイムチャートである。図２Ｂは、異常検出方法の一例のタイムチャートであって、短絡異常時のタイムチャートである。異常検出方法は、制御器６０が、記憶装置に格納された異常検出プログラムを演算装置で実行することにより実施される。異常検出方法は、導通工程と、電圧判定工程と、異常判定工程とを備える。
　導通工程では、制御器６０は、開閉器２が閉じている状態、すなわちコンバータ回路１０から直流電力が出力されている状態で、第１時間にわたって（時刻ｔ0から時刻ｔ1まで）第１スイッチング素子５２を導通状態にする。これにより、図２Ａに示す正常時であれば、コンデンサ３１が充電されていく。一方、図２Ｂに示す短絡異常時であれば、コンデンサ３１はほとんど充電されない。
　電圧判定工程では、制御器６０は、コンデンサ３１の端子間電圧が第１時間内に第１閾値Ｖthを上回るか否かを判定する。本実施形態では、制御器６０は、第１時間の経過時（時刻ｔ1）において、コンデンサ３１の端子間電圧が第１閾値Ｖthを上回るか否かを判定する。なお、制御器６０は、第１時間の経過前または経過後において、当該端子間電圧が第１閾値Ｖthを上回るか否かを判定してもよい。なお、コンデンサ３１の端子間電圧は、不図示の電圧検出回路により測定されてもよい。
　異常判定工程では、制御器６０は、コンデンサ３１の端子間電圧が第１閾値Ｖthを上回らなかった場合、平滑回路３０に短絡異常が生じていると判定する。この場合、図２Ｂに示すように、制御器６０は、当該判定後において、第１スイッチング素子５２や第２スイッチング素子５３を非導通状態に維持する。これにより、コンデンサ３１が過電流で破損するのを未然に防ぐことができる。
　一方、異常判定工程では、制御器６０は、コンデンサ３１の端子間電圧が第１閾値Ｖthを上回った場合、平滑回路３０に短絡異常が生じていないと判定する。この場合、図２Ａに示すように、制御器６０は、当該判定後において、第１スイッチング素子５２を再び導通状態にし（時刻ｔ2から時刻ｔ3）、コンデンサ３１を充電する。コンデンサ３１の充電が完了すると、制御器６０は、第１スイッチング素子５２を非導通状態にすると共に第２スイッチング素子５３を導通状態にして、モータ３の駆動制御を開始する。なお、制御器６０は、モータ３の駆動中、第１スイッチング素子５２を非導通状態に維持する。
　《実施形態２》
　本開示の実施形態２について説明する。本実施形態のモータ駆動装置４は、突入抵抗５１が回生回路２０の回生抵抗２１を兼ねる点などで上記実施形態１と異なる。以下、上記実施形態１と異なる点について主に説明する。
　図３は、実施形態２のモータ駆動装置４を概略的に示す回路図である。図３に示すように、回生回路２０が有する第３スイッチング素子２２の一方の主端子（この例では、コレクタ端子）は、突入抵抗５１と第１スイッチング素子５２との間に接続されている。第３スイッチング素子２２の他方の主端子（この例では、エミッタ端子）は、グランドラインに接続されている。また、本実施形態の第２スイッチング素子５３は、サイリスタではなく、双方向に通電可能なスイッチング素子（例えば、リレー）で構成される。
　制御器６０は、モータ３の回生動作時に、第２スイッチング素子５３および第３スイッチング素子２２を導通状態にする。これにより、第２スイッチング素子５３、突入抵抗５１（回生抵抗２１）、および第３スイッチング素子２２の順に回生電流が流れ、この突入抵抗５１で回生電力が消費される。
　本開示は、モータ駆動装置、モータ駆動装置の異常検出方法、および異常検出プログラムに利用できる。
１：交流電源
２：開閉器
３：モータ
４：モータ駆動装置
５：上位システム
６：センサ
　１０：コンバータ回路（直流出力部）
　２０：回生回路
　　２１：回生抵抗
　　２２：第３スイッチング素子
　　２３：第２ダイオード
　３０：平滑回路
　　３１：コンデンサ
　４０：インバータ回路
　５０：電流制限回路
　　５１：突入抵抗
　　５２：第１スイッチング素子
　　５３：第２スイッチング素子
　　５４：第１ダイオード
　６０：制御器
Ｖth：第１閾値

Claims (6)

  1. 　直流電力を出力する直流出力部と、
    　前記直流出力部から出力される直流電力を平滑化するコンデンサを有する平滑回路と、
    　平滑化された直流電力を交流電力に変換してモータに供給するインバータ回路と、
    　前記直流出力部と前記平滑回路との間に設けられ、前記コンデンサに流れる突入電流を制限する電流制限回路と、
    　前記平滑回路の短絡異常を検出する異常検出部と、
    を備え、
    　前記電流制限回路は、互いに直列接続された突入抵抗および第１スイッチング素子を有し、
    　前記異常検出部は、前記直流出力部から直流電力が出力されている状態で、第１時間にわたって前記第１スイッチング素子を導通状態にし、前記コンデンサの端子間電圧が前記第１時間内に第１閾値を上回るか否かを判定し、前記端子間電圧が前記第１時間内に前記第１閾値を上回らなかった場合、前記平滑回路に短絡異常が生じていると判定する、モータ駆動装置。
  2. 　前記電流制限回路は、前記突入抵抗および前記第１スイッチング素子と並列に接続された第２スイッチング素子をさらに有する、請求項１に記載のモータ駆動装置。
  3. 　前記異常検出部は、前記モータの駆動中、前記第１スイッチング素子を非導通状態に維持する、請求項２に記載のモータ駆動装置。
  4. 　前記モータの回生動作時に回生電力を消費する回生回路をさらに備え、
    　前記回生回路は、一方の主端子が前記突入抵抗と前記第１スイッチング素子との間に接続された第３スイッチング素子を有し、
    　前記突入抵抗は、前記回生回路の回生抵抗を兼ねる、請求項３に記載のモータ駆動装置。
  5. 　直流電力に出力する直流出力部と、前記直流出力部から出力される直流電力を平滑化するコンデンサを有する平滑回路と、平滑化された直流電力を交流電力に変換してモータに供給するインバータ回路と、前記直流出力部と前記平滑回路との間に設けられ、前記コンデンサに流れる突入電流を制限する電流制限回路と、を備え、
    　前記電流制限回路は、互いに直列接続された突入抵抗および第１スイッチング素子を有する、モータ駆動装置において、
    　前記平滑回路の短絡異常を検出する異常検出方法であって、
    　前記直流出力部から直流電力が出力されている状態で、第１時間にわたって前記第１スイッチング素子を導通状態にする導通工程と、
    　前記コンデンサの端子間電圧が前記第１時間内に第１閾値を上回るか否かを判定する電圧判定工程と、
    　前記端子間電圧が前記第１時間内に前記第１閾値を上回らなかった場合、前記平滑回路に短絡異常が生じていると判定する異常判定工程と、
    を備える、異常検出方法。
  6. 　請求項５に記載の異常検出方法をコンピュータに実行させるための異常検出プログラム。
PCT/JP2022/028422 2021-08-26 2022-07-22 モータ駆動装置、異常検出方法、および異常検出プログラム WO2023026734A1 (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH09233836A (ja) * 1996-02-26 1997-09-05 Toyota Motor Corp インバータ装置
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