(57)【要約】【課題】オープン巻き線形式のモータを２つのインバータによって駆動するシステムにおいて、アームの短絡故障を特定する。【解決手段】オープン巻き線形式の１つのモータ１０を２つのインバータ１２、１４によって駆動するシステムにおいて、インバータ１２に短絡故障が発生した場合に、故障したインバータ１２の上下アームをすべてオフし、故障していないインバータ１４について上アーム全３相オン、または下アーム全３相オンとして、モータ１０を中性点接続状態として、循環電流を計測する。そして、計測した循環電流に基づいて短絡故障しているアームを特定する。このため、特定された短絡故障しているアームに応じて、故障したインバータ１２のスイッチング素子をモータ１０の中性点接続状態として、故障していないインバータ１４によりモータ１０を駆動して退避走行を実施することができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々が、上アームおよび下アームの直列接続を複数相有し、直流電力を複数相の交流電力に変換して出力する、２つのインバータと、
前記２つのインバータの両方の出力側に接続されるオープン巻き線形式のモータと、
前記２つのインバータの上アームおよび下アームのオンオフを制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記２つのインバータにおける少なくとも１つの上アームまたは下アームの短絡故障を検出すると、短絡故障しているアームを含む一方の前記インバータについて、すべてのアームをオフにし、
短絡故障していない他方の前記インバータの全相の上アームまたは全相の下アームのいずれかをオンにし、
この状態での前記モータの各相電流値を検出し、検出した各相電流に基づいて短絡故障しているアームを特定する、
モータ駆動システム。
【請求項２】
各々が、上アームおよび下アームの直列接続を複数相有し、直流電力を複数相の交流電力に変換して出力する、２つのインバータと、
前記２つのインバータの両方の出力側に接続されるオープン巻き線形式のモータと、
前記２つのインバータの上アームおよび下アームのオンオフを制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記２つのインバータにおける少なくとも１つの上アームまたは下アームの短絡故障を検出すると、短絡故障しているアームを含む一方の前記インバータについて、すべてのアームをオフにし、
短絡故障しているアームを含まない他方の前記インバータについて、全相の上アームがオンの状態と全相の下アームがオンの状態を交互に切り換え、
この状態での前記モータの各相電流値を検出し、検出した各相電流に基づいて短絡故障しているアームを特定する、
モータ駆動システム。
【請求項３】
請求項２に記載のモータ駆動システムであって、
前記全相の上アームがオンの状態と前記全相の下アームがオンの状態とのデューティー比は、５０％である、
モータ駆動システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つに記載のモータ駆動システムであって、
前記制御装置は、
短絡故障しているアームを特定した後、
前記一方のインバータの短絡故障しているアーム以外の相の上アームまたは下アームであって、短絡したアームと同じ側のアームをすべてオンにするとともに、
前記他方のインバータの上アームおよび下アームをオンオフして前記モータを駆動する、
モータ駆動システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載のモータ駆動システムであって、
前記２つのインバータはそれぞれ３相のインバータであり、
前記モータは３相のモータである、
モータ駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つのインバータを使用して１つのオープン巻き線モータを駆動するモータ駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、電気自動車であって、インバータの一相または二相の短絡故障が発生した場合に、短絡故障が発生したインバータの上アームおよび下アームをオフし、各アームに流れる循環電流から短絡故障したアームを特定することが示されている。また、特許文献１には、２つのインバータとそれぞれに接続されるモータを有するシステムにおいても同様に短絡故障したアームを特定することが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２７８７９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、特許文献１では、モータの自由回転に基づき流れる循環電流を検出することで短絡したアームを特定する。これは、中性点が短絡された交流モータを用いていることを前提とするものであり、オープン巻き線形式の単一のモータを２つのインバータで駆動するシステムでは特許文献１において想定している循環電流は発生しない。このため、オープン巻き線形式の単一のモータを２つのインバータで駆動するシステムにおいて短絡故障したアームを特定したいという要求がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係るモータ駆動システムは、各々が、上アームおよび下アームの直列接続を複数相有し、直流電力を複数相の交流電力に変換して出力する、２つのインバータと、前記２つのインバータの両方の出力側に接続されるオープン巻き線形式のモータと、前記２つのインバータの上アームおよび下アームのオンオフを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記２つのインバータにおける少なくとも１つの上アームまたは下アームの短絡故障を検出すると、短絡故障しているアームを含む前記インバータについて、すべてのアームをオフにし、短絡故障していない前記インバータの全相の上アームまたは全相の下アームのいずれかをオンにし、この状態での前記モータの各相電流値を検出し、検出した各相電流に基づいて短絡故障しているアームを特定する。
【０００６】
また、本発明に係るモータ駆動システムは、各々が、上アームおよび下アームの直列接続を複数相有し、直流電力を複数相の交流電力に変換して出力する、２つのインバータと、前記２つのインバータの両方の出力側に接続されるオープン巻き線形式のモータと、前記２つのインバータの上アームおよび下アームのオンオフを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記２つのインバータにおける少なくとも１つの上アームまたは下アームの短絡故障を検出すると、短絡故障しているアームを含む前記インバータについて、すべてのアームをオフにし、短絡故障しているアームを含まない前記インバータについて、全相の上アームがオンの状態と全相の下アームがオンの状態を交互に切り換え、この状態での前記モータの各相電流値を検出し、検出した各相電流に基づいて短絡故障しているアームを特定する。
【０００７】
前記全相の上アームがオンの状態と前記全相の下アームがオンの状態とのデューティー比は、５０％であるとよい。
【０００８】
制御装置は、短絡故障しているアームを特定した後、前記一方のインバータの短絡故障しているアーム以外の相の上アームまたは下アームであって、短絡したアームと同じ側のアームをすべてオンにするとともに、前記他方のインバータの上アームおよび下アームをオンオフしてモータを駆動するとよい。
【０００９】
また、前記２つのインバータはそれぞれ３相のインバータであり、前記モータは３相のモータであるとよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、オープン巻き線形式の１つのモータを２つのインバータによって駆動するシステムにおいて、モータを中性点接続状態として、循環電流を計測することで短絡故障しているアームを特定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態に係るモータ駆動システムの全体構成を示す図である。
【図２】制御部の構成を示す図である。
【図３】第１実施形態に係る短絡故障しているアームの検出を説明するフローチャートである。
【図４】循環電流の流れを示す図であり、（ａ）は下アーム全オン、（ｂ）は上アーム全オンの状態を示す。
【図５】第２実施形態に係る短絡故障しているアームの検出を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。
【００１３】
「システム構成」
図１は、一実施形態に係るモータ駆動システムの構成を示す図である。モータ１０は永久磁石ロータを有する３相のオープン巻き線モータであり、３相のコイル１０ｕ，１０ｖ，１０ｗを有している。ここで、モータ駆動システムは車両に搭載され、モータ１０は車両走行の駆動力および減速時の回生電力を発生するモータジェネレータであることを想定している。また、システムを搭載する車両は、例えば電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）であり、ハイブリッド自動車は、エンジンを搭載するとよい。
【００１４】
３相のコイル１０ｕ，１０ｖ，１０ｗの一端には、直流電力を交流電力に変換する第１インバータ１２が接続され、３相のコイル１０ｕ，１０ｖ，１０ｗの他端には、第２インバータ１４が接続されている。また、第１インバータ１２には、第１コンデンサ１６および第１電源１８が並列接続され、第２インバータ１４には、第２コンデンサ２０および第２電源２２が並列接続されている。第１および第２電源１８，２２としては、二次電池が採用されるが、キャパシタなどの蓄電装置や、燃料電池などを採用してもよく、異種電源の組み合わせでもよい。
【００１５】
第１インバータ１２、第２インバータ１４の構成は同一であり、２つのスイッチング素子が直列接続された３つ（３相）の上下アームを有し、各相の上下アームの中点が対応する相のコイル１０ｕ，１０ｖ，１０ｗにそれぞれ接続されている。従って、力行の際には、第１電源１８からの電力が第１インバータ１２を介しモータ１０に供給され、回生（発電）の際にはモータ１０からの電力が第１インバータ１２を介し第１電源１８に供給される。また、第２インバータ１４、第２電源２２もモータ１０と同様の電力のやり取りを行う。
【００１６】
スイッチング素子は、ＩＧＢＴなどのトランジスタと、逆流ダイオードが並列接続されたものであり、上側トランジスタをオンにすることで対応するコイルに向けて電流が流れ、下側トランジスタをオンにすることで対応相のコイルから電流が引き抜かれる。
【００１７】
そして、制御部２４は、コンピュータで構成され、電源情報、モータ情報、車両情報などに基づき、第１インバータ１２、第２インバータ１４のスイッチング信号を作成し、これらのスイッチングを制御する。なお、制御部２４は、第１インバータ１２用と、第２インバータ１４用とを独立して別々に設けてもよい。また、モータ１０の各相電流は、電流計２６によって検出され、制御部２４に供給される。
【００１８】
「制御部の構成」
図２には、制御部２４の構成が示されている。車両制御部３０には、アクセルペダル、ブレーキペダルの操作量、車速など車両走行についての車両情報、モータ１０の回転角などのモータ情報が供給される。なお、第１電源１８および第２電源２２の充電状態（ＳＯＣ１，ＳＯＣ２）、温度（Ｔ１，Ｔ２）などの電源情報や、道路状況や、目的地などのナビゲーション情報なども車両制御部３０に供給されるとよい。
【００１９】
車両制御部３０は、アクセルペダル、ブレーキペダルの操作量などから、モータ１０の出力要求（目標出力トルク）についてのトルク指令を算出する。
【００２０】
算出されたトルク指令は、モータ制御ブロック３２の電流指令生成部３４に供給される。電流指令生成部３４は、トルク指令に基づいて、モータ１０のベクトル制御における目標となる電流指令であるｄ軸、ｑ軸電流ｉｄｃｏｍ，ｉｑｃｏｍを算出する。３相／２相変換部３６には、第１コンデンサ１６、第２コンデンサ２０のコンデンサ電圧ＶＨ１，ＶＨ２、モータ１０のロータ回転角θ、現在の各相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗが供給される。３相／２相変換部３６は、検出された各相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗをｄ軸、ｑ軸電流ｉｄ，ｉｑに変換する。電流指令生成部３４からの目標となる電流指令（ｄ軸、ｑ軸電流）ｉｄｃｏｍ，ｉｑｃｏｍと、３相／２相変換部３６からの現在のｄ軸、ｑ軸電流ｉｄ，ｉｑは、ＰＩ制御部３８に供給され、電圧ベクトル（ｄ軸励磁電圧指令ｖｄ、ｑ軸トルク電圧指令ｖｑ）が算出される。ＰＩ制御部３８は、Ｐ（比例）制御、Ｉ（積分）制御などのフィードバック制御により電圧指令（モータ電圧ベクトルＶ（ｖｄ，ｖｑ））を算出する。なお、予測制御などのフィードフォワード制御を組み合わせてもよい。
【００２１】
算出されたモータ電圧ベクトルＶ（電圧指令ｖｄ，ｖｑ）は、分配部４０に供給される。分配部４０は、モータ電圧ベクトルＶ（電圧指令ｖｄ，ｖｑ）を、第１インバータ１２用の第１インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ１）（電圧指令ｖｄ１，ｖｑ１）と、第２インバータ１４用の第２インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ２）（電圧指令ｖｄ２，ｖｑ２）に分配する。
【００２２】
分配部４０からの電圧指令ｖｄ１，ｖｑ１は２相／３相変換部４２に供給され、ここで第１インバータ用の３相の電圧指令Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１に変換されて出力され、電圧指令ｖｄ２，ｖｑ２は、２相／３相変換部４４に供給され、ここで第２インバータ用の３相の電圧指令Ｖｕ２，Ｖｖ２，Ｖｗ２に変換されて出力される。なお、電流指令生成部３４、３相／２相変換部３６、ＰＩ制御部３８、分配部４０、２相／３相変換部４２，４４がモータ制御ブロック３２に含まれる。
【００２３】
２相／３相変換部４２からの第１インバータ用の３相の電圧指令Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１は第１インバータ制御部４６に供給され、第２インバータ用の３相の電圧指令Ｖｕ２，Ｖｖ２，Ｖｗ２は、第２インバータ制御部４８に供給される。第１インバータ制御部４６には、ロータ回転角θ、第１コンデンサ電圧（第１インバータ入力電圧）ＶＨ１が供給されており、ＰＷＭキャリア（三角波）と電圧指令Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１の比較によって第１インバータ１２におけるスイッチング素子のオン／オフ用のスイッチング信号を生成し、これを第１インバータ１２に供給する。第２インバータ制御部４８も同様にして、第２インバータ１４におけるスイッチング素子のオン／オフ用のスイッチング信号を生成し、これを第２インバータ１４に供給する。
【００２４】
このようにして、制御部２４からの信号によって、第１インバータ１２、第２インバータ１４のスイッチングが制御され、これらの出力が合計された電流でモータ１０が駆動される。
【００２５】
「短絡故障しているアームの特定」
＜第１実施形態＞
ここで、第１および第２インバータ１２，１４の中の一方のインバータにおいて、アームを構成するスイッチング素子の短絡故障が発生した場合の短絡故障しているアームの検出について、図３に基づいて説明する。
【００２６】
まず、スイッチング素子に短絡故障が発生したことを検出する（Ｓ１１）。第１インバータ１２，１４の各アームのスイッチング素子へのスイッチング信号と、各電流計で検出した電流値と、に基づいて無通電状態を判定する。一般的に、インバータは、直列接続している上下アームのスイッチング素子が同時にオンとならないように、オン時の立ち上がり特性に遅れを持たせている。このため、低回転時、かつ、正常にスイッチング素子が作動する場合においては、無通電状態を検出することができる。一方、短絡故障が発生すると、無通電状態が発生しなくなり、これによって短絡故障を検出することができる。
【００２７】
第１インバータ１２の短絡故障を検出した場合には、第１インバータ１２における上下アームのスイッチング素子をすべてオフにする（Ｓ１２）。なお、制御部２４は、第１インバータ１２におけるすべてのアームをオフにする（オフにする指令を発する）が、短絡アームについてはオフにはならない。そして、第２インバータ１４における上アームまたは下アームのいずれか一方のすべてのスイッチング素子をオンにする（Ｓ１３）。なお、上アームまたは下アームの他方のスイッチング素子はすべてオフにする。
【００２８】
これによって、第２インバータ１４の３つの上アームまたは３つの下アームのスイッチング素子がオンになり、モータの３相コイルの端部が第２インバータ１４によって短絡され、中性点が接続された構成になる。
【００２９】
この状態で、モータ１０の自由回転に伴う各相電流を検出することで、短絡故障しているアーム（短絡アーム）を特定する（Ｓ１４）。すなわち、モータ１０の中性点を短絡することで、短絡アームを介し循環電流が流れることになり、特許文献１と同様にして、短絡故障しているアームを特定することができる。例えば、図４（ａ）に示すように、第１インバータ１２のｕ相の下アームのスイッチング素子が短絡故障し、第２インバータの下アームのすべてをオンした場合には、ロータの自由回転に応じて第１インバータ１２のｕ相から流れ出る電流が第１インバータ１２および第２インバータ１４のｕ，ｗ相を流れ最後に第２インバータ１４のｕ相の下側アームを通ってモータ１０のｕ相に戻る循環電流が流れる。また、第２インバータ１４の上アームをすべてオンにした場合には、図４（ｂ）に示すように、第２インバータ１４の上アームを介し、循環電流が流れる。従って、短絡故障したアームに応じて循環電流の流れが決定されるため、循環電流を計測することで短絡故障したアームを特定することができる。
【００３０】
なお、下アームのスイッチング素子が短絡故障した場合には、モータ１０から引き抜く側の電流が流れ、上アームのスイッチング素子が短絡故障した場合には、モータ１０へ向いて電流が流れる。このため、電流の方向から上下アームのいずれが短絡しているかを判定できる。また、他相のアームが短絡した場合にも同様の循環電流が流れるため、同様に短絡故障したアームを特定することができる。なお、この循環電流による短絡故障しているアームの特定は、特許文献１に記載の手法をそのまま利用することができ、例えば２相、３相短絡についても、全３相の電流値が一定値を超えているか、２相の電流値が一定値を超えているか、などの判定によって短絡故障しているアームを特定することができる。
【００３１】
このようにして、短絡故障したアームが特定できた場合には、第１インバータ１２の短絡故障しているアームと同じ側、すなわち短絡故障したアームが上アームであれば他の上アーム、短絡故障したアームが下アームであれば他の下アームをすべてオンにする（Ｓ１５）。この例では、第１インバータ１２のｕ相の下アームが短絡故障しているため、第１インバータ１２のｖ，ｗ相の下アームを両方ともオンにする。これによって、第１インバータ１２の下側アームがすべてオンとなり、モータ１０が中性点接続された状態になり、第２インバータ１４のスイッチングによってモータ１０を駆動することができる。
【００３２】
そこで、第２インバータ１４を用いて、退避走行を実施する（Ｓ１６）。退避走行によって、サービス工場まで移動し、ここにおいて修理を受ける。この際、短絡故障しているアームがわかっているので、修理も容易になる。
【００３３】
なお、上述の説明では、第１インバータ１２において短絡故障が生じた場合について説明したが、第２インバータ１４において短絡故障が生じた場合にも同様の処理が行える。
【００３４】
＜第２実施形態＞
図５には、第２実施形態におけるフローチャートを示してある。この第２実施形態において、Ｓ２１〜Ｓ２２，Ｓ２４〜Ｓ２６は、第１実施形態のＳ１１〜Ｓ１２，Ｓ１４〜Ｓ１６と同一である。そして、Ｓ２３がＳ１３とは異なっている。Ｓ２３においては、第２インバータ１４において上アームの３相オンと下アームの３相オンを交互に切り換える。
【００３５】
ここで、第２インバータ１４の上アームの３相オンと下アームの３相オンを切り換えた場合には、図４（ａ），（ｂ）に示す状態が交互に生起されることになる。従って、モータ１０の各相に流れる循環電流についてみれば、第２インバータ１４の上アームの３相オンと下アームの３相オンとで変わりはない。そこで、この切り換えを行った状態においても、第１実施形態と同様にモータ１０の各相の電流値によって短絡故障しているアームを特定することができる。
【００３６】
故障発生前の状態において、３相オンにするスイッチング素子の温度が高い場合、そのスイッチング素子をオンに固定し循環電流を流すと、温度がさらに上昇しスイッチング素子が過熱状態となり、電流を流す状態を継続できなくなる可能性がある。第２実施形態においては、電流量を低減することができ、スイッチング素子の過熱を抑制することが可能となる。
【００３７】
また、スイッチング素子が高温であると、退避走行時において制限が掛かり、退避走行におけるドライバビリティが悪化する。本実施形態によって、スイッチング素子の過熱を防止することで、退避走行時におけるドライバビリティを改善することが可能になる。
【００３８】
ここで、第２インバータ１４の上アームの３相オンと下アームの３相オンのデューティー比は５０％とするとよい。デューティー比を５０％にすることによって、上アームと下アームに流れる循環電流を均等に分配でき、スイッチング素子の過熱を効果的に防止できる。すなわち、第２インバータ１４の各アームに流れる電流量は半分になり、スイッチング素子の過熱を防止することができる。
【００３９】
「実施形態の効果」
本実施形態によれば、オープン巻き線形式の１つのモータを２つのインバータによって駆動するシステムにおいて、インバータに短絡故障が発生した場合に、故障したインバータの上下アームのすべてをオフし、故障していないインバータについて上アーム全３相オン、または下アーム全３相オンとして、モータを中性点接続状態として、循環電流を計測する。そして、計測した循環電流に基づいて短絡故障しているアームを特定する。このため、特定された短絡故障しているアームに応じて、故障したインバータのスイッチング素子をモータの中性点接続状態として、故障していないインバータによりモータを駆動して退避走行を実施することができる。
【００４０】
また、故障インバータの短絡故障しているアームの特定に際し、故障していないインバータの循環電流が流れるスイッチング素子を切り換えることで、循環電流を流して短絡故障しているアームを検出するときのスイッチング素子の過熱を防止することが可能となる。
【符号の説明】
【００４１】
１０  モータ、１０ｕ，１０ｖ，１０ｗ  コイル、１２  第１インバータ、１４  第２インバータ、１６  第１コンデンサ、１８  第１電源、２０  第２コンデンサ、２２  第２電源、２４  制御部、２６  電流計、３０  車両制御部、３２  モータ制御ブロック、３４  電流指令生成部、３６  ３相／２相変換部、３８  ＰＩ制御部、４０  分配部、４２，４４  ２相／３相変換部、４６  第１インバータ制御部、４８  第２インバータ制御部。
【図１】
2020058176.tif 000003
【図２】
2020058176.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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