JP5606506B2

JP5606506B2 - 駆動制御装置及び駆動制御方法

Info

Publication number: JP5606506B2
Application number: JP2012207537A
Authority: JP
Inventors: 伸一木ノ内; 公輔中野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-09-20
Filing date: 2012-09-20
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2032-09-20
Also published as: US9024564B2; JP2014064373A; DE102013212698A1; US20140077745A1

Description

本発明は、複数のインバータが接続されたモータを駆動制御する駆動制御装置及び駆動制御方法に関するものである。

電気モータでハンドルの制御をアシストする、所謂パワーステアリングにおいて、モータに電力を供給するインバータが故障したとき、ハンドル操舵者は自力のみによるハンドル操作を行う必要がある。しかし、大型車の場合、トルクが大きく、自力のみによる操舵には大きな力が必要となり、ドライバーには大きな負担を強いることになる。

複数のインバータを電気モータに接続することにより、１つのインバータが故障したときは他のインバータを動作させることによりドライバーによる自力のみの操舵を回避することができる。しかし、故障したインバータ以外のインバータによるモータの連続動作を可能とするためには、故障したインバータとモータと間に開閉器などの電流導通状態を制御する装置が必要となる（例えば、特許文献１あるいは特許文献２参照。）。

特開平９−２７５６９９号公報特開２０１１−４５２１２号公報

特許文献１及び特許文献２に示されているように、従来は故障したインバータとモータとの間に開閉器等を設けるようにしているので、開閉器の状態としては、短絡状態か開放状態のどちらかのみであり、モータ及びインバータを含む回路を短絡状態から開放状態にする場合、回路中のインダクタンス成分により大きなサージ電圧が発生し、モータ巻線の絶縁破壊あるいは開閉器そのものが破壊する可能性がある。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、モータを駆動するインバータに故障が発生し、他の正常なインバータによりモータの駆動を継続させる際に、サージ電圧の発生を抑制することが可能な駆動制御装置及び駆動制御方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る駆動制御装置は、モータにそれぞれ接続されて前記モータを駆動可能な複数のインバータと、前記モータと前記各インバータとの間にそれぞれ接続され、その抵抗値を外部から可変に制御可能な可変抵抗素子と、前記モータと前記各インバータとの間にそれぞれ接続され、前記各インバータの出力電流及び出力電圧の少なくとも一方を検出する出力検出部と、前記出力検出部からの検出信号に基づき、前記モータを駆動するインバータの故障を検出したときは、当該故障したインバータの動作を停止し、当該故障したインバータと前記モータとの間に設けられた前記可変抵抗素子の抵抗値を、前記モータ及び当該故障したインバータを含む回路のインダクタンス成分に起因して生じるサージ電圧が当該可変抵抗素子及び前記モータを破損しない電圧値となるような抵抗変動の速さで、徐々に増加させると共に、当該故障したインバータ以外の正常なインバータで前記モータを駆動制御するコントローラと、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、モータを駆動するインバータに故障が発生し、他の正常なインバータによりモータの駆動を継続させる際に、サージ電圧の発生を抑制することが可能になる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る駆動制御装置の構成を示す電気回路図である。図２は、実施の形態２に係る駆動制御装置の構成を示す電気回路図である。図３は、ＭＯＳＦＥＴの出力特性を示す模式図である。

以下に、本発明に係る駆動制御装置及び駆動制御方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態に係る駆動制御装置の構成を示す電気回路図である。図１に示すように、本実施の形態に係る駆動制御装置は、モータ５の駆動制御を行う駆動制御装置であって、モータ５に接続された複数のインバータとしてのインバータ１，２と、両端がインバータ１，２に接続された平滑コンデンサ８と、インバータ１とモータ５との間に接続されその抵抗値を外部から制御可能な可変抵抗素子３と、インバータ２とモータ５との間に接続されその抵抗値を外部から制御可能な可変抵抗素子４と、インバータ１とモータ５との間に接続されインバータ１の出力電流及び出力電圧を検出する電流・電圧検出装置６と、インバータ２とモータ５との間に接続されインバータ２の出力電流及び出力電圧を検出する電流・電圧検出装置７と、電流・電圧検出装置７からの検出信号に基づいてインバータ１，２及び可変抵抗素子３，４を制御可能なコントローラ９とを備えて構成される。

モータ５は、インバータ１のみの制御、若しくはインバータ２のみの制御、又はインバータ１，２の同時制御により駆動される。モータ５を駆動するための電力は、平滑コンデンサ８からインバータ１又はインバータ２を経由し、可変抵抗素子３又は可変抵抗素子４を通ってモータ５へと供給される。平滑コンデンサ８には、図示しないバッテリなどの直流電源から直流電圧が供給される。インバータ１，２は、それぞれ、平滑コンデンサ８に蓄積された電気エネルギーを用いてモータ５を駆動することができる。

インバータ１は、三相インバータであり、コントローラ９からの各相のゲート信号（Ｇｕ１，Ｇｖ１，Ｇｗ１）により出力制御され、モータ５を駆動可能である。同様に、インバータ２は、三相インバータであり、コントローラ９からの各相のゲート信号（Ｇｕ２，Ｇｖ２，Ｇｗ２）により出力制御され、モータ５を駆動可能である。インバータ１の直流高電位側母線２１とインバータ２の直流高電位側母線３１とが互いに接続され、その接続点は平滑コンデンサ８の正極端（＋）に接続されている。インバータ１の直流低電位側母線２２とインバータ２の直流低電位側母線３２とが互いに接続され、その接続点は平滑コンデンサ８の負極端に接続されている。

インバータ１は、Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１の各相に対応して、平滑コンデンサ８の正極端（＋）側と各相の交流出力線２７ａ〜２７ｃとの間をスイッチングする高電位側の半導体スイッチング素子としてのＭＯＳＦＥＴ（ＭＥＴＡＬＯＸＩＤＥＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲＦＩＥＬＤＥＦＦＥＣＴＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲ）２３ａ〜２３ｃと、ＭＯＳＦＥＴ２３ａ〜２３ｃにそれぞれ逆並列に接続されたダイオード２５ａ〜２５ｃと、平滑コンデンサ８の負極端側と各相の交流出力線２７ａ〜２７ｃとの間をスイッチングする低電位側の半導体スイッチング素子としてのＭＯＳＦＥＴ２４ａ〜２４ｃと、ＭＯＳＦＥＴ２４ａ〜２４ｃにそれぞれ逆並列に接続されたダイオード２６ａ〜２６ｃとを備えている。ＭＯＳＦＥＴ２３ａとダイオード２５ａはＵ１相の上側アームを、ＭＯＳＦＥＴ２３ｂとダイオード２５ｂはＶ１相の上側アームを、ＭＯＳＦＥＴ２３ｃとダイオード２５ｃはＷ１相の上側アームを構成する。また、ＭＯＳＦＥＴ２４ａとダイオード２６ａはＵ１相の下側アームを、ＭＯＳＦＥＴ２４ｂとダイオード２６ｂはＶ１相の下側アームを、ＭＯＳＦＥＴ２４ｃとダイオード２６ｃはＷ１相の下側アームを構成する。なお、ＭＯＳＦＥＴ２３ａ〜２３ｃ，２４ａ〜２４ｃは、それぞれ、ソース・ドレイン間に接続された寄生ダイオードを有している。

インバータ２は、Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２の各相に対応して、平滑コンデンサ８の正極端（＋）側と各相の交流出力線３７ａ〜３７ｃとの間をスイッチングする高電位側の半導体スイッチング素子としてのＭＯＳＦＥＴ３３ａ〜３３ｃと、ＭＯＳＦＥＴ３３ａ〜３３ｃにそれぞれ逆並列に接続されたダイオード３５ａ〜３５ｃと、平滑コンデンサ８の負極端側と各相の交流出力線３７ａ〜３７ｃとの間をスイッチングする低電位側の半導体スイッチング素子としてのＭＯＳＦＥＴ３４ａ〜３４ｃと、ＭＯＳＦＥＴ３４ａ〜３４ｃにそれぞれ逆並列に接続されたダイオード３６ａ〜３６ｃとを備えている。ＭＯＳＦＥＴ３３ａとダイオード３５ａはＵ２相の上側アームを、ＭＯＳＦＥＴ３３ｂとダイオード３５ｂはＶ２相の上側アームを、ＭＯＳＦＥＴ３３ｃとダイオード３５ｃはＷ２相の上側アームを構成する。また、ＭＯＳＦＥＴ３４ａとダイオード３６ａはＵ２相の下側アームを、ＭＯＳＦＥＴ３４ｂとダイオード３６ｂはＶ２相の下側アームを、ＭＯＳＦＥＴ３４ｃとダイオード３６ｃはＷ２相の下側アームを構成する。なお、ＭＯＳＦＥＴ３３ａ〜３３ｃ，３４ａ〜３４ｃは、それぞれ、ソース・ドレイン間に接続された寄生ダイオードを有している。

なお、本実施の形態では、半導体スイッチング素子として例えばＭＯＳＦＥＴを使用した場合を示したが、例えばＩＧＢＴ（ＩＮＳＵＬＡＴＥＤＧＡＴＥＢＩＰＯＬＡＲＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲ）を使用してもよい。

インバータ１，２を出力制御する各相のゲート信号Ｇ（Ｇｕ１，Ｇｖ１，Ｇｗ１，Ｇｕ２，Ｇｖ２，Ｇｗ２）は、ＰＷＭ（ＰＵＬＳＥＷＩＤＴＨＭＯＤＵＬＡＴＩＯＮ）制御にて生成される。

可変抵抗素子３は、インバータ１とモータ５との間の各相の交流出力線２７ａ〜２７ｃのそれぞれに設けられ、可変抵抗素子４は、インバータ２とモータ５との間の各相の交流出力線３７ａ〜３７ｃのそれぞれに設けられている。可変抵抗素子３，４としては、例えばバリスタなど、外部（ここではコントローラ９）から印加する電圧を変動させることにより抵抗値が変化するものを使用することができる。

電流・電圧検出装置６は、インバータ１とモータ５との間の各相の交流出力線２７ａ〜２７ｃの電流及び電圧を検出する。また、電流・電圧検出装置７は、インバータ２とモータ５との間の各相の交流出力線３７ａ〜３７ｃの電流及び電圧を検出する。なお、電流・電圧検出装置６，７は、それぞれ、電流及び電圧のいずれか一方の異常を検出するものであってもよい。

次に、本実施の形態の動作について説明する。まず、モータ５をインバータ１とインバータ２により同時に駆動している場合にインバータ１が故障した場合を想定する。なお、以下の説明は、インバータ２が故障した場合も同様である。インバータ１が故障した場合、電流・電圧検出装置６は、インバータ１からモータ５への出力電流及び出力電圧の異常を検出する。電流・電圧検出装置６が検出した検出信号は、駆動制御装置全体を管理するコントローラ９に於いて処理される。

コントローラ９は、電流・電圧検出装置６からの検出信号に基づいてインバータ１の出力電流及び出力電圧の異常を検出し、インバータ１の故障を検出すると、インバータ１の動作を停止すると同時に可変抵抗素子３の抵抗値を所定の速さで所定の値まで徐々に増大させる。

ここで、可変抵抗素子３の抵抗変動の速さは、この値が大きくなるほど、モータ５のインダクタンス成分あるいは回路（モータ５及びインバータ１を含む）中のインダクタンス成分に起因して生じるサージ電圧も大きくなり、可変抵抗素子３又はモータ５の破損につながるおそれがある。そのため、可変抵抗素子３の抵抗変動の速さは、サージ電圧が可変抵抗素子３及びモータ５を破損しない電圧値となるように、所定値未満に設定される。すなわち、可変抵抗素子３の抵抗変動の速さは、抵抗変動に伴って生ずるサージ電圧が可変抵抗素子３又はモータ５を破壊する最小のサージ電圧値よりも小さな電圧となるような値に設定される。

可変抵抗素子３の最終的な抵抗値はモータ駆動制御の方法に依存する。インバータ１が短絡故障した場合においてもインバータ２は正常に動作するため、ハンドル操舵者は通常のハンドル操作が可能であるが、可変抵抗素子３の最終的な抵抗値Ｒａが短絡故障したインバータ１に電流を導通させる程度の値である場合には、およそ次式で規定するトルク（Ｔｅｘ）を発生させることができるので、

このトルク（Ｔｅｘ）により、ハンドル操舵者に異常の発生を知らせることができる。ここで、Ｐｍはモータ５の極対数、φはモータ界磁束、ωはモータ角速度、Ｌａはモータインダクタンスである。すなわち、可変抵抗素子３の最終的な抵抗値Ｒａを、短絡故障したインバータ１に電流が導通する程度の値に下げることによって、インバータ１に回生電流が流れ、この回生電流がモータ５内で磁束の変化を生むことでファラデーの法則によりハンドルに上記トルク（Ｔｅｘ）が発生する。

このような制御方法によれば、インバータ１，２のいずれかが故障したときに故障したインバータとモータ５と間に設置される可変抵抗素子の抵抗を所定の速さで徐々に上げることでサージ電圧を抑制でき、当該可変抵抗素子及びモータ５への過大なサージ電圧を抑制することができる。

次に、モータ５を例えばインバータ１のみで駆動しておりインバータ２はバックアップ用として待機状態であるときにインバータ１が故障した場合を想定する。この場合、コントローラ９は、電流・電圧検出装置６からの検出信号に基づいてインバータ１の出力電流及び出力電圧の異常を検出し、インバータ１の故障を検出すると、インバータ１を停止すると同時に可変抵抗素子３の抵抗値を所定の速さで所定の値まで徐々に増大させる。ここで、可変抵抗素子３の抵抗変動の速さ及び最終的な抵抗値については、インバータ１，２を同時に駆動していた場合と同様である。コントローラ９がインバータ２を動作させることで、ハンドル操舵者は通常のハンドル操作が可能になる。

このような制御方法によれば、動作中の一方のインバータが故障したときに故障したインバータとモータ５と間に設けられた可変抵抗素子の抵抗を所定の速さで徐々に上げることでサージ電圧を抑制でき、当該可変抵抗素子及びモータ５への過大なサージ電圧を抑制することができる。

なお、本実施の形態では、モータ５には２つのインバータ１，２が接続された場合について説明したが、モータ５に３つ以上のインバータが接続された構成についても同様に説明することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、モータ５に複数のインバータが接続された構成において、各インバータとモータ５との間にそれぞれ可変抵抗素子を設け、モータ５を駆動する１つのインバータに故障が発生したときには、故障が発生したインバータとモータ５との間の可変抵抗素子の抵抗値を所定の速さで徐々に大きくすることにより、サージ電圧を抑制することができ、モータ５及び当該可変抵抗素子をサージ電圧による破損から保護することができると共に、故障したインバータ以外の正常なインバータを用いることによりモータ５の駆動を継続することができる。

実施の形態２．
図２は、本実施の形態に係る駆動制御装置の構成を示す電気回路図である。図２では、可変抵抗素子１０，１１以外の構成は実施の形態１と同じである。そのため、図２では、図１と同一の構成要素には同一の符号を付している。

可変抵抗素子１０は、インバータ１とモータ５との間の各相の交流出力線２７ａ〜２７ｃのそれぞれに設けられ、可変抵抗素子１１は、インバータ２とモータ５との間の各相の交流出力線３７ａ〜３７ｃのそれぞれに設けられている。可変抵抗素子１０，１１は例えば電圧駆動型の半導体素子から構成される。図２では、可変抵抗素子１０，１１は例えばＭＯＳＦＥＴから構成される場合を示している。

ＭＯＳＦＥＴの特性の１つである出力特性の模式図を図３に示す。図３に示すように、線形領域では、ドレイン‐ソース間電圧に対してドレイン電流が線形的に増大しており、ＭＯＳＦＥＴは抵抗としての特性を示すことがわかる。また、ゲート電圧を大きくすると、ドレイン‐ソース間電圧に対して線形的に振舞うドレイン電流の直線の傾きが増大し、抵抗値が下がることがわかる。このようにＭＯＳＦＥＴは、線形領域において使用すればゲート電圧を制御することで可変抵抗とみなすことができる。また、ゲート電圧値は３端子レギュレータなどを使用することで容易に制御することができる。

このようにＭＯＳＦＥＴは可変抵抗素子１０，１１として使用できかつその抵抗値は外部から容易に変更することが可能であるので、コントローラ９は可変抵抗素子１０又は１１の抵抗値を所定の速さで適切な値に設定することが容易に可能となる。

また、ＭＯＳＦＥＴを可変抵抗素子１０，１１として用いることで、実施の形態１と同様に、電流・電圧検出装置６又は７が異常を検出した場合、コントローラ９は、異常を検出した方のインバータの動作を停止すると共に、故障が発生したインバータとモータ５との間に設けられた可変抵抗素子の抵抗を所定の速さで徐々に上げることでサージ電圧を抑制することができる。

本実施の形態では、電圧駆動型の半導体素子として例えばＭＯＳＦＥＴを使用した場合を示したが、他の電圧駆動型の半導体素子、例えばＩＧＢＴを使用しても同様の効果を得ることができる。

本実施の形態によれば、可変抵抗素子１０，１１を電圧駆動型の半導体素子としたので、抵抗値の制御が容易になる。本実施の形態のその他の構成、動作、及び効果は、実施の形態１と同様である。

本発明は、モータに複数のインバータが接続される構成において、動作中の１つのインバータが故障したときに他の正常なインバータを用いたモータの円滑な駆動を実現する駆動制御装置及び駆動制御方法として有用である。

１，２インバータ、３，４，１０，１１可変抵抗素子、５モータ、６，７電流・電圧検出装置、８平滑コンデンサ、９コントローラ、２１，３１直流高電位側母線、２２，３２直流低電位側母線、２３ａ〜２３ｃ，２４ａ〜２４ｃ，３３ａ〜３３ｃ，３４ａ〜３４ｃＭＯＳＦＥＴ、２５ａ〜２５ｃ，２６ａ〜２６ｃ，３５ａ〜３５ｃ，３６ａ〜３６ｃダイオード、２７ａ〜２７ｃ，３７ａ〜３７ｃ交流出力線。

Claims

モータにそれぞれ接続されると共に電力を供給する平滑コンデンサにそれぞれ接続されて前記モータを駆動可能な複数のインバータと、
前記モータと前記各インバータとの間にそれぞれ接続され、その抵抗値を外部から可変に制御可能な可変抵抗素子と、
前記モータと前記各インバータとの間にそれぞれ接続され、前記各インバータの出力電流及び出力電圧の少なくとも一方を検出する出力検出部と、
前記出力検出部からの検出信号に基づき、前記モータを駆動するインバータの故障を検出したときは、当該故障したインバータの動作を停止し、当該故障したインバータと前記モータとの間に設けられた前記可変抵抗素子の抵抗値を、前記モータ及び当該故障したインバータを含む回路のインダクタンス成分に起因して生じるサージ電圧が当該可変抵抗素子及び前記モータを破損しない電圧値となるような抵抗変動の速さで、徐々に増加させると共に、当該故障したインバータ以外の正常なインバータで前記モータを駆動制御するコントローラと、
を備えることを特徴とする駆動制御装置。
前記可変抵抗素子は、電圧駆動型の半導体素子であることを特徴とする請求項１に記載の駆動制御装置。
電力を供給する平滑コンデンサにそれぞれ接続された複数のインバータが接続されたモータを駆動制御するコントローラの駆動制御方法であって、
前記コントローラは、前記モータと前記各インバータとの間にそれぞれ接続されて前記各インバータの出力電流及び出力電圧の少なくとも一方を検出する出力検出部により前記モータを駆動するインバータの故障を検出したときは、当該故障したインバータの動作を停止し、当該故障したインバータと前記モータとの間に設けられた可変抵抗素子の抵抗値を、前記モータ及び当該故障したインバータを含む回路のインダクタンス成分に起因して生じるサージ電圧が当該可変抵抗素子及び前記モータを破損しない電圧値となるような抵抗変動の速さで、徐々に増加させると共に、当該故障したインバータ以外の正常なインバータで前記モータを駆動制御することを特徴とする駆動制御方法。