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JP6437122B2 - インバータ制御装置 - Google Patents

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JP6437122B2
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敬史 小倉
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Description

本発明は、インバータ制御装置に関する。
モータは、電源から供給された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路によって駆動されている。インバータ回路には、演算部で生成されたＰＷＭ信号がバッファ部を介して入力される。演算部は、バッファ部から出力したＰＷＭ信号を当該演算部にフィードバックして、バッファ部の故障を検出する。特許文献１には、インバータ回路の１相分の故障が他相に及ばないように切り分け、相を跨った共通の機能については類似機能を動作モードの設定により切り替える回路が記載されている。
特開２０１４−４５５４９号公報
従来の技術では、ＰＷＭ信号が出力されるバッファ部に故障が発生した場合、バッファ部から異常なＰＷＭ信号が出力されてしまう虞がある。
本発明によるインバータ制御装置は、モータを制御するためのＰＷＭ信号を出力する演算部と、演算部より出力されたＰＷＭ信号をバッファ部を介して受信し、受信したＰＷＭ信号に基づいてインバータ部を駆動する駆動部と、バッファ部から出力されるＰＷＭ信号を受信し、受信したＰＷＭ信号を演算部へフィードバックするフィードバック部と、を備え、演算部は、バッファ部が故障した場合に、フィードバック部を介してＰＷＭ信号を駆動部へ出力する。
本発明によれば、ＰＷＭ信号を出力するバッファ部に故障が発生しても、より信頼性が高いインバータ制御装置を提供できる。
全体システム構成を示す図である インバータ制御部のブロック構成図である。 第２バッファ部の回路構成図である。 故障検出部の回路構成図である。 故障時のインバータ制御部の状態を示す図である。
図１は本発明の一実施形態による全体システム構成を示す図である。直流電源１の電力はインバータ回路２に供給され、インバータ回路２は直流電源１の電力を直流から交流に変換してモータ３に供給する。インバータ回路２はパワー半導体素子とダイオードを内包しており、インバータ制御部５から出力されるＰＷＭ信号は駆動部６で駆動信号に変換され、この駆動信号によりパワー半導体素子が駆動される。コンデンサ４は、インバータ回路２のパワー半導体素子のスイッチング動作によって生じる直流電圧の変動を抑制する。
図２は、インバータ制御部５のブロック構成図である。
演算部５１は、ＰＷＭ信号の生成等を行うマイクロプロセッサである。演算部５１は、ＰＷＭ出力ポート５１１、停止信号出力ポート５１２、フォルト信号入力ポート５１３、ＰＷＭ入出力ポート５１４、切替信号出力ポート５１５を備える。
演算部５１で生成されたＰＷＭ信号は、ＰＷＭ出力ポート５１１より第１バッファ部５２へ出力される。第１バッファ部５２には、図示省略した制御回路より各種フォルト信号が入力される。第１バッファ部５２は、各種フォルト信号が入力されていない通常時は、受信したＰＷＭ信号を第２バッファ部５３へ出力する。第２バッファ部５３は、受信したＰＷＭ信号を駆動部６へ出力する。また、第１バッファ部５２は、各種フォルト信号が入力された故障時は、演算部５１からのＰＷＭ信号に替えて保護動作ＰＷＭ信号を第２バッファ部５３へ出力する。
第１バッファ部５２は、自身の出力機能が故障した場合は、第２バッファ部５３へバッファ部フォルト信号を出力する。出力機能の故障とは、第１バッファ部５２の出力端子が電源側へ天絡した故障やアース側へ地絡した故障である。仮に、このような故障のままＰＷＭ信号を駆動部６へ出力した場合には、駆動部６へ出力されるＰＷＭ信号がHighレベルもしくはLowレベルに固定されるため、インバータ回路２はパワー半導体素子がONに固定することが考えられる。そして、パワー半導体素子がON固定されると、対となる上下アームのどちらかにON信号が入力された場合、上下短絡が発生し過電流故障に至る。
第２バッファ部５３は、第１バッファ部５２からバッファ部フォルト信号が入力された場合に、保護動作ＰＷＭ信号を生成して駆動部６へ出力する。これにより、第１バッファ部５２が故障した場合でも、誤ったＰＷＭ信号がそのまま出力されるのを防止できる。なお、第２バッファ部５３は、第１バッファ部５２より故障率が低い回路により構成されている。また、第２バッファ部５３における保護動作ＰＷＭ信号の生成については、図３を用いて後述する。
第２バッファ部５３は、演算部５１から停止信号が入力された場合に、保護動作ＰＷＭ信号を生成して駆動部６へ出力する。更に、第２バッファ部５３は、故障検出部５４からＰＷＭフォルト信号が入力された場合に、保護動作ＰＷＭ信号を生成して駆動部６へ出力する。
故障検出部５４には、第１バッファ部５２から第２バッファ部５３を介して出力されるＰＷＭ信号が入力される。故障検出部５４は、入力されたＰＷＭ信号に基づいて、ＰＷＭ出力ポート５１１または第１バッファ部５２が故障している場合には、これらの故障を検出する。更に、故障検出部５４には、フィードバック部５５から出力される冗長ＰＷＭ信号が入力される。故障検出部５４は、入力された冗長ＰＷＭ信号に基づいて、ＰＷＭ入出力ポート５１４またはフィードバック部５５が故障している場合には、これらの故障を検出する。故障検出部５４は、いずれかの故障を検出した場合に、ＰＷＭフォルト信号をフォルト信号入力ポート５１３を介して演算部５１へ、更に、第２バッファ部５３およびフィードバック部５５へ出力する。なお、故障検出部５４は、第２バッファ部５３から出力される保護動作ＰＷＭ信号に対しては故障の検出を行わない。
フィードバック部５５は、演算部５１より切替信号出力ポート５１５を介して切替信号が入力されている。フィードバック部５５は、切替信号が入力されていない通常時は、第２バッファ部５３から出力されるＰＷＭ信号が入力され、入力されたＰＷＭ信号をＰＷＭ入出力ポート５１４を介して演算部５１へ伝達する。一方、フィードバック部５５は、切替信号が入力された場合は、演算部５１のＰＷＭ入出力ポート５１４から出力される冗長ＰＷＭ信号を駆動部６へ伝達する。冗長PWM信号はPWM出力ポート511より出力されるPWM信号と同じく、パワー半導体を駆動するための信号である。ただし、第１バッファ部５２を活用するような各種フォルト信号による安全動作へ移行できないことから、冗長PWM信号の出力条件に制限を加えても良い。
例えば、直流電源１の過電圧を検出する過電圧フォルト信号が発生するような過電圧検出器がある構成において、演算部51が正常と判断する直流電源電圧よりも低い領域で冗長PWM信号の出力を許可するようにする、または、出力電流に制限をつけるようにする。このとき、「過電圧検出器動作電圧＞演算部５１が判断する正常電圧＞冗長PWM信号の出力制限電圧」という関係になる。直流電源１の過電圧の兆候を早めに捉え、出力を制限することにより過電圧による故障に至らないようにする。なお、冗長ＰＷＭ信号は第２バッファ部５３から出力される保護動作ＰＷＭ信号よりも優先度が高くなるように設定されている。フィードバック部５５は、故障検出部５４からＰＷＭフォルト信号が入力された場合に、冗長ＰＷＭ信号を遮断する。
演算部５１は、フィードバック部５５から出力されたＰＷＭ信号をＰＷＭ入出力ポート５１４より受信し、ＰＷＭ信号が異常であるか否かを判定する。演算部５１は、ＰＷＭ信号が異常であると判定した場合には、停止信号出力ポート５１２より第２バッファ部５３へ停止信号を出力する。
図３は、第２バッファ部５３の回路構成図である。第１バッファ部５２からの各出力ラインには、スリーステートバッファ５３１が夫々設けられている。スリーステートバッファ５３１の出力ラインにはプルアップ抵抗５３２が設けられている。各スリーステートバッファ５３１の制御端子には、停止信号、ＰＷＭフォルト信号、バッファ部フォルト信号がＯＲ結合されて入力される。スリーステートバッファ５３１は、通常時には、第１バッファ部５２からのＰＷＭ信号を駆動部６へ伝達する。スリーステートバッファ５３１の制御端子に、停止信号、ＰＷＭフォルト信号、バッファ部フォルト信号のいずれかが入力された場合に、スリーステートバッファ５３１の出力はハイインピーダンスになる。このとき、スリーステートバッファ５３１の出力はHigh状態（スイッチOFF）となるため、モータ３は３相オープン状態の保護動作へ移行する。このように、モータ３の保護動作を行うＰＷＭ信号を保護動作ＰＷＭ信号と称する。
図４は、故障検出部５４の回路構成図である。第２バッファ部５３からのＰＷＭ信号の各相の上アームの各出力ラインが夫々スリーステートバッファ５４１へ入力されている。また、第２バッファ部５３からのＰＷＭ信号の各相の下アームの各出力ラインが夫々スリーステートバッファ５４１の制御端子へ入力されている。スリーステートバッファ５４１の出力ラインは、ダイオード５４２のカソードに夫々接続されている。各ダイオード５４２のアノードは一つのラインに結合され、ＰＷＭフォルト信号として演算部５１、第２バッファ部５３及びフィードバック部５５へ出力される。ＰＷＭフォルト信号の電圧を安定させるため、ＰＷＭフォルト信号の出力ラインはプルアップ抵抗５４３に接続されている。
スリーステートバッファ５４１とダイオード５４２で構成される回路により、３つのスリーステートバッファ５４１の出力のいずれか少なくとも１つがLowになった場合、ＰＷＭフォルト信号はLowになる。なお、インバータ回路２において、各相の上下アームには、それぞれのＰＷＭ信号に応じた駆動信号が入力される。ＰＷＭ信号がLowの場合に出力される駆動信号では、当該パワー半導体素子はONに制御され、ＰＷＭ信号がHighの場合に出力される駆動信号では、当該パワー半導体素子はOFFに制御されるものとする。通常時では、各相の上アームと対になる下アームのＰＷＭ信号は同時にLowとなる制御をしない。これは、上下アームが同時にONされた場合に過電流が発生するためである。
故障検出部５４は、上下アームが同時にONとなるＰＷＭ信号を検出する。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれかの上アームに対するＰＷＭ信号と下アームに対するＰＷＭ信号が同時にLow（ON)となった場合、ＰＷＭフォルト信号がLowとなる。ＰＷＭフォルト信号がLowの場合は故障と判断する。
Ｕ相上アームがHigh、Ｕ相下アームがLowの場合、スリーステートバッファ５４１の出力はHighとなる。Ｕ相上アームがLow、Ｕ相下アームがHighの場合、スリーステートバッファ５４１の出力はハイインピーダンスとなる。Ｖ相、Ｗ相のＰＷＭ信号が入力されるスリーステートバッファ５４１も同様な動作となる。３つのスリーステートバッファ５４１の出力が全てHighもしくはハイインピーダンス出力の場合、ＰＷＭフォルト信号はHighとなる。３つのスリーステートバッファ５４１のうち、どれか一つでもLow出力となっている場合、ＰＷＭフォルト信号はLowとなる。
図５は、第１バッファ部５２が故障した場合のインバータ制御部の信号の流れを説明する図である。インバータ制御部のブロック構成は図２と全く同一であり、同一の符号を附してその説明は省略する。
第１バッファ部５２に故障が発生した場合は、故障検出部５４は、第２バッファ部５３を介して入力されているＰＷＭ信号に基づいて、第１バッファ部５２の故障を検出する。第１バッファ部５２の故障を検出すると、故障検出部５４は、ＰＷＭフォルト信号を演算部５１、第２バッファ部５３およびフィードバック部５５へ出力する。第２バッファ部５３は、ＰＷＭフォルト信号の入力により、その出力をハイインピーダンスにして、保護動作ＰＷＭ信号によりインバータ回路２を駆動してモータ３の保護動作を行う。なお、第２バッファ部５３は、第１バッファ部５２からバッファ部フォルト信号が入力された場合や、演算部５１から停止信号が入力された場合にも、保護動作ＰＷＭ信号によりインバータ回路２を駆動してモータ３の保護動作を行う。
演算部５１は、ＰＷＭフォルト信号の入力により、冗長ＰＷＭ信号を生成してＰＷＭ入出力ポート５１４から出力する。そして、演算部５１は、切替信号をフィードバック部５５へ出力する。フィードバック部５５は、切替信号に応答して、演算部５１から入力された冗長ＰＷＭ信号を出力する。演算部５１からフィードバック部５５を介して出力された冗長ＰＷＭ信号は、第２バッファ部５３から出力された保護動作ＰＷＭ信号よりも優先して、駆動部６へ伝達される。以降、故障検出部５４は、フィードバック部５５を介して出力される冗長ＰＷＭ信号を受信し、当該冗長ＰＷＭ信号に基づいて、ＰＷＭ入出力ポート５１４またはフィードバック部５５が故障している場合には、これらの故障を検出する。
このように、インバータ制御部５は、第１バッファ部５２に故障が発生した場合には、保護動作ＰＷＭ信号によりインバータ回路２を駆動してモータ３の保護動作を行った後、冗長ＰＷＭ信号によりインバータ回路２を駆動する。したがって、安全性を高める効果がある。
更に、故障検出部５４で、冗長ＰＷＭ信号の異常によりＰＷＭ入出力ポート５１４またはフィードバック部５５の故障が検出された場合、故障検出部５４は、第１バッファ部５２の故障を検出した場合と同様に、ＰＷＭフォルト信号を演算部５１、第２バッファ部５３およびフィードバック部５５へ出力する。フィードバック部５５は、ＰＷＭフォルト信号の入力により、演算部５１からの冗長ＰＷＭ信号を遮断する。これにより、第２バッファ部５３から出力された保護動作ＰＷＭ信号が有効となり、モータ３の保護動作が行われる。
このように、インバータ制御部５は、冗長ＰＷＭ信号が異常となった場合には、冗長ＰＷＭ信号を遮断して、保護動作ＰＷＭ信号によりインバータ回路２を駆動してモータ３の保護動作を行う。したがって、安全性を高める効果がある。
以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）インバータ制御部５は、モータ３を制御するためのＰＷＭ信号を出力する演算部５１と、演算部５１より出力されたＰＷＭ信号を第１バッファ部５２を介して受信し、受信したＰＷＭ信号に基づいてインバータ回路２を駆動する駆動部６と、第１バッファ部５２から出力されるＰＷＭ信号を受信し、受信したＰＷＭ信号を演算部５１へフィードバックするフィードバック部５５と、を備え、演算部５１は、第１バッファ部５２が故障した場合に、フィードバック部５５を介して冗長ＰＷＭ信号を駆動部６へ出力する。これにより、ＰＷＭ信号を出力する第１バッファ部５２に故障が発生しても、より信頼性が高いインバータ制御装置を提供できる。
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。
１ 直流電源
２ インバータ回路
３ モータ
４ コンデンサ
５ インバータ制御部
６ 駆動部
５１ 演算部
５２ 第１バッファ部
５３ 第２バッファ部
５４ 故障検出部
５５ フィードバック部

Claims (3)

  1. モータを制御するためのＰＷＭ信号を出力する演算部と、
    前記演算部より出力されたＰＷＭ信号をバッファ部を介して受信し、受信した前記ＰＷＭ信号に基づいてインバータ部を駆動する駆動部と、
    前記バッファ部から出力される前記ＰＷＭ信号を受信し、受信した前記ＰＷＭ信号を前記演算部へフィードバックするフィードバック部と、を備え、
    前記演算部は、前記バッファ部が故障した場合に、前記フィードバック部を介して前記ＰＷＭ信号を前記駆動部へ出力するインバータ制御装置。
  2. 請求項１に記載のインバータ制御装置であって、
    前記バッファ部から出力される前記ＰＷＭ信号を受信して前記バッファ部の故障を検出する故障検出部を備え、
    前記演算部は、前記故障検出部により前記バッファ部の故障が検出された場合に、前記フィードバック部を介して前記ＰＷＭ信号を前記駆動部へ出力するインバータ制御装置。
  3. 請求項２に記載のインバータ制御装置であって、
    前記故障検出部は、前記バッファ部が故障した場合には、前記フィードバック部を介して出力される前記ＰＷＭ信号を受信して前記フィードバック部の故障を検出するインバータ制御装置。
JP2017536702A 2015-08-27 2016-07-28 インバータ制御装置 Active JP6437122B2 (ja)

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JP2015167350 2015-08-27
JP2015167350 2015-08-27
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