(57)【要約】【課題】インバータの半導体電力素子の温度に対する過渡的要素をさらに細かく解析することができ、半導体電力素子の接合部の温度変化を精度良く推定することができ、インバータの動作上の安全性と信頼性を得る。【解決手段】本発明の一例は半導体電力素子の接合部と温度測定用のオンチップセンサ間の熱抵抗と熱容量を含むモデル化回路を定義し、前記オンチップセンサの直接出力に応答する前記モデル化回路の出力を推定損失とし、この推定損失を前記オンチップセンサの前記直接出力に加算して推定測定温度データとする。【選択図】図１
2010252573.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体電力素子の接合部とオンチップセンサ間の熱抵抗と熱容量を含むモデル化回路を定義し、前記オンチップセンサで温度測定した直接出力を前記モデル化回路に入力し、該モデル化回路の出力を推定損失とし、この推定損失を前記オンチップセンサの前記直接出力に加算して推定測定温度データとすることを特徴とするインバータの温度検出方法。
【請求項２】
半導体電力素子の接合部とオンチップセンサ間の熱抵抗と熱容量を含むモデル化回路を定義し、前記モデル化回路の前記熱抵抗から半導体電力素子の接合部温度データに比例した第１の値を取得し、予め設定した上限温度データから前記半導体電力素子の接合部温度データを減算した値を、前記モデル化回路の前記熱容量を用いて所定の時間ごとに積算した第２の値を取得し、前記第１の値から前記第２の値を減算した第３の値を、インバータ指令電流値から減算することを特徴とするインバータの制御方法。
【請求項３】
インバータにおける半導体電力素子の接合部とオンチップセンサ間の熱抵抗と熱容量を含むモデル化回路が定義されており、前記モデル化回路を含む温度情報処理部が、
前記モデル化回路の前記熱抵抗から半導体電力素子の接合部温度データに比例した第１の値を取得する比例定数演算部と、
予め設定した上限温度データから前記半導体電力素子の接合部温度データを減算した値を前記モデル化回路の前記熱容量を用いて所定の時間ごとに積算して第２の値を取得する積分定数演算部と、
前記第１の値から前記第２の値を減算した第３の値を得る減算器と、
前記第３の値を前記インバータに対する指令電流値から減算する補正部と、
を有したことを特徴とする可変磁束モータの制御装置。
【請求項４】
温度情報処理部は、前記第３の値を監視し、前記半導体電力素子の接合部温度が予め設定している温度より高くなった状態を検出した場合、前記可変磁束モータの磁化を行わない、または磁化電流を通常より小さくする制御出力を得ることを特徴とする請求項３記載の可変磁束モータの制御装置。
【請求項５】
温度情報処理部は、前記第３の値を監視し、前記可変磁束モータの磁化を行う途中で前記半導体電力素子の接合部温度が予め設定している温度に達した場合、前記磁化を停止または磁化電流を抑制する制御出力を得ることを特徴とする請求項３記載の可変磁束モータの制御装置。
【請求項６】
温度情報処理部は、前記第３の値に応じて、インバータ入力直流電圧とスイッチング周波数から予め求めている磁化電流を前記可変磁束モータに流す制御出力を得ることを特徴とする請求項３記載の可変磁束モータの制御装置。
【請求項７】
温度情報処理部は、前記第３の値に応じて、前記可変磁束モータの磁力を変える前にインバータ入力電圧とスイッチング周波数を下げる制御出力を得ることを特徴とする請求項３記載の可変磁束モータの制御装置。
【請求項８】
温度情報処理部は、前記第３の値に応じて、前記可変磁束モータの磁力を変える前にインバータの冷却を強化する制御出力を得ることを特徴とする請求項３記載の可変磁束モータの制御装置。
【請求項９】
温度情報処理部は、前記第３の値に応じて、前記可変磁束モータの磁力を変える前に他の駆動系にシステムの駆動を負担させる制御出力を得ることを特徴とする請求項３記載の可変磁束モータの制御装置。
【請求項１０】
温度情報処理部は、前記第３の値に応じて、前記可変磁束モータの磁力を変えた後は一定の期間、可変磁束モータの磁力を変えない制御出力を得ることを特徴とする請求項３記載の可変磁束モータの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はインバータの温度検出方法及び可変磁束モータの制御装置に関し、インバータにおける温度検出性能を向上し、動作上の信頼性と、該インバータで駆動される可変磁束モータの制御の安定化を得るものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の接合部の温度検出装置として、特許文献１に開示された技術がある。この技術は、半導体素子に温度測定用のダイオードを付加している。温度検出回路が、温度測定用のダイオードの順方向電圧降下の温度特性に基づいて、ダイオードの位置の測定温度データを検出している。一方、電流検出回路が、前記半導体素子の電流センス用エミッタに流れるセンス電流を測定している。演算部が、前記センス電流値に基づいて、補正温度データを算出し、前記測定温度データに加算して、接合部温度データを取得している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１１７１１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の技術は温度測定用のダイオードから導出された出力端子の電圧と電流センス用エミッタに流れるセンス電流に基づいて、推定接合部温度データを得ている。したがって、推定接合部温度データが得られたときは、半導体素子パッケージの全体的な熱容量などが総合された結果のものである。この場合は、ダイオードと被測定半導体電力素子のジャンクション部間の熱抵抗、熱容量などの過渡的要素に関しては考慮されていない。
【０００５】
ところで、最近ではインバータの小型化と低価格化が要望されている。特にハイブリッド自動車、電気自動車に適用するインバータは小型化と低価格化が要望されている。一方、可変磁束モータの磁力を切り替えるためには、小型化されたインバータにとっては、パワーを得るために該インバータに定格以上の電流を瞬時に流す必要がある。ここでインバータに用いられる半導体電力素子において、温度が異常に高い状態で定格以上の電流を瞬時に流すと破壊されることになる。このような問題を解決するためには、半導体電力素子の温度を精度良く測定し、監視する必要がある。
【０００６】
そこでこの発明は、インバータの半導体電力素子の温度に対する過渡的要素をさらに細かく解析し、温度変化を精度良く推定することができ、インバータの動作上の安全性と信頼性と、モータ制御の安定化を得るインバータの温度検出方法及び可変磁束モータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明は半導体電力素子の接合部と温度測定用のオンチップセンサ間の熱抵抗と熱容量を含むモデル化回路を定義し、前記オンチップセンサの直接出力に応答する前記モデル化回路の出力を推定損失とし、この推定損失分を前記オンチップセンサの前記直接出力に加算して推定測定温度データとすることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
上記した解決手段によると、モデル化回路を定義することでインバータの半導体電力素子の温度に対する過渡的要素をさらに細かく解析することができ、半導体電力素子の接合部の温度変化を精度良く推定することができ、インバータの動作上の安全性と信頼性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施例に係る温度検出方法を採用している被測定半導体スイッチ素子周辺の回路説明図である。
【図２】本発明の一実施例に係るモデル化回路の例を示す説明図である。
【図３】本発明の一実施例に係る温度検出方法を実施した具体的一例を示す構成説明図である。
【図４】本発明の他の実施例に係る温度検出方法を実施した具体的一例を示す構成説明図である。
【図５】図４の実施例の動作例を説明するために示した動作特性図である。
【図６】本発明の一実施例による可変磁束モータの制御装置の構成説明図である。
【図７】可変磁束モータの簡易モデル図である。
【図８】図６の可変磁束モータのロータの断面を示す図である。
【図９】図６の可変磁束モータのBH特性を示す図である。
【図１０】種々の材料のBH特性を示す図である。
【図１１】図６の磁化要求生成部２９の内部構成例を示す図である。
【図１２】図６の可変磁束制御部１３の内部構成例を示す図である。
【図１３】図６の可変磁束モータの制御タイミングを示す図である。
【図１４】本発明を応用した複合装置の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示しており、本発明が適用されたインバータの半導体電力素子周辺を示している。この半導体電力素子１１１は、絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ（以下ＩＧＢＴと略称）であり、ゲートスイッチ回路１１２からの制御信号によりオンオフ制御される。１１３は電源ラインである。ここで、半導体電力素子１１１は、その接合部温度が温度センサ１２１により測定される。この温度センサ１２１は、PN接合ダイオードであり、順方向電圧降下が温度特性をもつことを利用している。
【００１１】
なお、図１は代表的な基本構成を示したものであり、インバータ内の複数の半導体電力素子のそれぞれに対する温度センサが設けられる。
【００１２】
温度センサ１２１の出力は、温度情報処理部１２２に入力される。この温度情報処理部１２２により、半導体電力素子１１の接合部の温度が精度良く測定できるようになっている。精度を上げるために、次のような点が工夫されている。
【００１３】
まず、温度センサ１２１と半導体電力素子１１との間の配置関係により、測定温度には差が生じる。そこで、本発明では、図１の点線で示すような空間（絶縁材などが存在する部分）に対応するモデル化回路３０を設計している。このモデル化回路１３０は、熱損失となるIGBT推定損失を含む。
【００１４】
図２はモデル化回路１３０のイメージ構成例を示している。例えば熱抵抗と熱容量を電気抵抗とコンデンサに置き換えている。そして抵抗とコンデンサの並列回路を直列に複数接続したものをモデル化回路１３０としている。入力部１３０aには温度センサ１２１からの出力が接合部温度データとして入力される。そして出力部１３０ｂには、接合部温度データがモデル化回路１３０により補正されて補正用の温度データとして出力される。
【００１５】
上記のモデル化回路１３０は、実際には演算回路であり、図３のように温度情報処理部１２２内に組み込まれている。温度センサ１２１からの出力は、端子２３aを介して、モデル化回路１３０と加算器１２４に入力される。モデル化回路１３０から出力される補正用の温度データは、加算器１２４に入力される。加算器１２４の出力は、出力端子１２３ｂに導出される。
【００１６】
ここでモデル化回路１３０は、その出力に熱損失が復元して反映されるように、IGBT推定損失パラメータに基づいて抵抗及び容量の設計がなされている。熱損失は、大まかに分類すると、導通損失Pon、スイッチング損失Pswに対応させて分類することができる。
【００１７】
導通損失：          Pon＝Ic×Vce
スイッチング損失：  Psw＝（Eon＋Eoff）×ｆｓｗ
全体損失：          Ploss＝Pon＋Psw
Ic：コレクタ電流（A)、
Vce：コレクタエミッタ間電圧（V)
Eon：オフからオンへの導通電圧
Eoff：オンからオフへの導通電圧
ｆｓｗ：スイッチング周波数
上記の損失Plossは、IGBTの定格値と、使用条件（周波数など）により計算される。したがって、モデル化回路１３０は、上記の計算式の可変要素（電圧、電流、周波数）に応じて、Plossが得られるように、抵抗及び容量の係数が予め設定されている。
【００１８】
上記したように、本発明では、被測定素子である半導体電力素子の接合部とオンチップセンサである温度センサ間の熱抵抗と熱容量を含むモデル化回路を定義している。そして、前記温度センサの直接出力に応答する前記モデル化回路の出力を推定損失（補正用の温度データ）とし、この推定損失を前記温度センサの前記直接出力に加算して推定測定温度データとしている。
【００１９】
図４は、上記モデル化回路１３０を取り込んだ温度情報処理部１２２の使用例であり、インバータへ利用した例を示している。入力端子１２３aには接合部温度データが入力される。この接合部温度データは、比例定数演算部１４１に入力されるとともに、減算器１４２に入力される。比例定数演算部１４１は、先のモデル化回路１３０の総抵抗値に対応する。
【００２０】
減算器１４２では、接合部上限温度データから入力した接合部温度データが減算されて出力される。つまり、減算器１４２の出力は、許容できる温度に対して、現在検出した温度がどの程度近づいているかを示している。
【００２１】
この減算器１４２の出力は、所定の時間ごとに積算を繰り返す積分定数演算部１４３に入力される。この積分定数演算部１４３は、先のモデル化回路１３０の総容量値に対応する。積分値には制限が与えられている。積分値は、減算器４４に入力される。減算器１４４は、比例定数演算部１４１の出力から、積分定数演算部１４３の出力を減算している。そして減算器１４４の出力は、補正部１４５に入力される。補正部１４５は、インバータに流れる電流を指令する指令電流から、減算器１４４からの出力を減算し、修正指令電流を出力している。
【００２２】
つまり比例定数演算部１４１の出力は、半導体電力素子の接合温度が上昇したのに比例して、インバータの電流を抑制する方向へ働いている。つまり半導体電力素子の接合部温度は、測定温度以上に上昇していることが推定（モデル化回路により制度良く推定）されるので、半導体電力素子の電流を抑制する方向へ働いている。
【００２３】
しかし過度な抑制にならないように、積分定数演算部１４３の出力（積分値）により電流抑制が緩和される。つまり、この実施例では、積分定数演算部１４３の出力（積分値）を比例定数演算部４１の出力（比例値）から減算処理することで電流抑制を緩和している。
【００２４】
この場合、積分定数演算部１４３は、限界まで許容できる温度データ（減算器１４２の出力）を積分しているので、電流抑制を緩和することは、ジャンクション温度の限界までIGBTを使用できることに相当する。
【００２５】
図５は、上記の温度情報処理部１２２の動作特性を説明する図である。（A)は、接合部温度の変化を示し、（B)は、比例定数演算部１４１出力と積分定数演算部１４３の出力を示している。（C)は指令電流が変化する様子を示している。接合部の温度上昇に伴い温度推定動作が開始され、これに伴い指令電流に対する電流抑制が行われていることが理解される。
【００２６】
図６はこの発明が適用された可変磁束モータのドライブシステムを示している。まず同図を説明する前に、永久磁石同期電動機としての可変磁束モータについて説明する。
【００２７】
図７は、可変磁束モータ１を簡単なイメージとしてモデル化したものである。ステータ側は従来のモータと同様と考えてよい。ロータ５１側には永久磁石として、磁性体の磁束密度が固定の固定磁石ＦＭＧと、磁性体の磁束密度が可変の可変磁石ＶＭＧとがある。従来の永久磁石同期電動機（ＰＭモータ）は、前者の固定磁石ＦＭＧのみであるのに対して、この実施例での可変磁束モータ１は、可変磁石ＶＭＧが備わっている。
【００２８】
ここで固定磁石や可変磁石について、説明を加える。永久磁石とは、その磁束量が一定不変なものではなく、通常の定格運転中に近い状態ではインバータ等から供給される電流によって磁束密度が概ね変化しないもののことを指す。一方、前述の磁束密度が可変である永久磁石、つまり、可変磁石とは、上記のような運転条件においてもインバータ等で流し得る電流によって磁束密度が変化するものを指す。このような可変磁石は、磁性体の材質や構造に依存して、ある程度の範囲で設計が可能である。
【００２９】
最近のＰＭモータは、残留磁束密度Ｂｒの高いネオジム（ＮｄＦｅＢ）磁石を用いることが多い。この磁石の場合、残留磁束密度Ｂｒが１．２Ｔ程度と高いため、大きなトルクを小さい装置サイズにて出力可能であり、モータの高出力小型化が求められるハイブリッド車ＨＥＶや電車には好適である。従来のＰＭモータの場合、通常の電流によって減磁しないことが要件であるが、このネオジム磁石（ＮｄＦｅＢ）は約１０００ｋＡ／ｍの非常に高い保持力Ｈｃを有しているので、ＰＭモータ用に最適な磁性体である。ＰＭモータ用には、残留磁束密度が大きく、保磁力の大きい磁石が選定されるためである。
【００３０】
一方、残留磁束密度が高く、保持力Ｈｃの小さいアルニコＡｌＮｉＣｏ（Ｈｃ＝６０〜１２０ｋＡ／ｍ）やＦｅＣｒＣｏ磁石（Ｈｃ＝約６０ｋＡ／ｍ）といった磁性体を可変磁石とする。通常の電流量（インバータによって従来のＰＭモータを駆動する際に流す程度の電流量という意味）によって、ネオジム磁石の磁束密度（磁束量）はほぼ一定であるが、アルニコＡｌＮｉＣｏ磁石などの可変磁石の磁束密度（磁束量）は可変となる。
【００３１】
厳密に言えば、ネオジム磁石は可逆領域で利用しているため、微小な範囲で磁束密度が変動するが、インバータ電流がなくなれば当初の値に戻る。他方、可変磁石は不可逆領域まで利用するため、インバータ電流がなくなっても当初の値にならない。図７における可変磁石ＶＭＧであるアルニコ磁石の磁束量も、Ｄ軸方向の量が変動するだけで、Ｑ軸方向はほぼ０である。
【００３２】
図８は、可変磁束モータ１の具体的な構成例を示している。回転子（ロータ）５１は、回転子鉄心５２中に、ネオジム磁石（ＮｄＦｅＢ）などの高保磁力の永久磁石５４とアルニコ磁石（ＡｌＮｉＣｏ）などの低保磁力の永久磁石５３とを組み合わせて配置した構成である。可変磁石ＶＭＧである低保磁力永久磁石５３は、回転子鉄心５２の磁極部５５の両側に、それぞれ隣接する磁極部５５との境界域に径方向に配置してある。固定磁石ＦＭＧである高保磁力磁石５４は、回転子鉄心５２の磁極部５５において径に直交する方向に配置してある。この構造により、可変磁石ＶＭＧである低保磁力永久磁石５３はＱ軸方向とその磁化方向が直交するため、Ｑ軸電流の影響を受けず、Ｄ軸電流によって磁化される。
【００３３】
図９は固定磁石と可変磁石のＢＨ特性（磁束密度−磁化特性）を例示している。また、図１０は、図９の第２象限のみを定量的に正しい関係にて示したものである。さらに種々の材料のBH特性を示している。
【００３４】
ネオジム磁石とアルニコ磁石の場合、それらの残留磁束密度Ｂｒ１，Ｂｒ２には有意差はないが、保磁力Ｈｃ１，Ｈｃ２については、ネオジム磁石（ＮｄＦｅＢ）のＨｃ２に対し、アルニコ磁石（ＡｌＮｉＣｏ）のＨｃ１は１／１５〜１／８、ＦｅＣｒＣｏ磁石のＨｃ１は１／１５になる。
【００３５】
従来のＰＭモータドライブシステムにおいて、インバータの出力電流による磁化領域は、ネオジム磁石（ＮｄＦｅＢ）の保磁力より十分に小さく、その磁化特性の可逆範囲で利用されている。しかしながら、可変磁石は、保磁力が上述のように小さいため、インバータの出力電流の範囲において、不可逆領域（電流を０にしても、電流印加前の磁束密度Ｂに戻らない）での利用が可能で、磁束密度（磁束量）を可変にすることができる。
【００３６】
可変磁束モータ１の動特性の等価簡易モデルを、（１）式に示す。同モデルは、Ｄ軸を磁石磁束方向、Ｑ軸をＤ軸に直行する方向として与えたＤＱ軸回転座標系上のモデルである。
【数１】
2010252573.tif 000003
【００３７】
ここに、Ｒ１：巻線抵抗、Ｌｄ：Ｄ軸インダクタンス、Ｌｑ：Ｑ軸インダクタンス、Φｆｉｘ：固定磁石の磁束量、Φｖａｒ：可変磁石の磁束量、ω１：インバータ周波数である。
【００３８】
図６には、第１の実施の形態の可変磁束ドライブシステムの主回路及び制御回路を示してある。主回路は、直流電源３、直流電力を交流電力に変換するインバータ４、このインバータ４の交流電力（駆動電流）にて駆動される可変磁束モータ１にて構成されている。そして、主回路には、モータ電力を検出するための交流電流検出器２、モータ速度を検出するための速度検出器１８が設置されている。
【００３９】
具体的にはインバータ４からの３相の駆動電流が可変磁束モータ１のステータス側の巻線に供給されている。そして例えば２相の駆動電流の変化が電流検出装置２U、２Wにより検出されている。電流検出装置２U、２Wは例えばホール素子を用いた検出回路を有する。検出した電流は、座標変換部７に入力されている。座標変換部７は、電流検出器２の交流検出電流Ｉｕ，Ｉｗを２軸ＤＱ軸変換してＤＱ軸電流検出値Ｉｄ，Ｉｑに変換して電圧指令演算部１０に入力する。
【００４０】
次に、制御回路について説明する。ここでの入力は、運転指令Ｒｕｎ＊とトルク指令Ｔｍ＊である。運転指令生成部１６は、運転指令Ｒｕｎ＊と保護判定部１７で判断された保護信号ＰＲＯＴとを入力とし、運転状態フラグＲｕｎを生成出力する。基本的には、運転指令が入った場合（Ｒｕｎ＊＝１）に、運転状態フラグＲｕｎを運転状態（Ｒｕｎ＝１）にし、運転指令が停止を指示した場合（Ｒｕｎ＊＝０）には、運転状態フラグＲｕｎを停止状態（Ｒｕｎ＝０）にする。さらに、保護検知の場合（ＰＲＯＴ＝１）には、運転指令Ｒｕｎ＊＝１であっても、運転状態は停止状態Ｒｕｎ＝０にする。
【００４１】
ゲート指令生成部１５は、運転状態フラグＲｕｎを入力し、インバータ４に内在するスイッチング素子へのゲート指令Ｇｓｔを生成出力する。このゲート指令生成部１５では、運転状態フラグＲｕｎが停止（Ｒｕｎ＝０）から運転（Ｒｕｎ＝１）に変わる場合、即時にゲートスタート（Ｇｓｔ＝１）とし、運転状態フラグＲｕｎが運転（Ｒｕｎ＝１）から停止（Ｒｕｎ＝０）に変わる場合、所定時間が経過した後に、ゲートオフ（Ｇｓｔ＝０）にするように作用する。
【００４２】
電流基準演算部１１可変磁束モータ１のコイルの磁力の変化タイミングと磁束量を決める指令電流Id*、Iq*を出力する。この指令電流Id*、Iq*は、電圧指令演算部１０に向けて出力される。
【００４３】
インバータ４の半導体電力素子の温度を検出する温度情報処理部１２２が示されているがこの温度情報処理部１２２と各部の関係については、後述する。
【００４４】
上記の磁束指令演算部１２は、運転状態フラグＲｕｎとインバータ周波数ω１、すなわち、ロータ回転周波数ωＲを入力として、磁束指令Φ＊を、例えば次の（２）式のように生成して出力する。すなわち、運転停止（Ｒｕｎ＝０）の場合には、磁束指令Φ＊を最小Φｍｉｎにして、運転状態（Ｒｕｎ＝１）であって、かつ、回転周波数ωＲが所定値より低い場合には、磁束指令Φ＊を最大Φｍａｘとし、また、速度が所定値より高い場合、磁束指令Φ＊を最小Φｍｉｎとする。
【数２】
2010252573.tif 000004
【００４５】
ここに、Φｍｉｎ：可変磁束モータ１として取り得る最小磁束量（＞０）、Φｍａｘ：可変磁束モータ１として取り得る最大磁束量、ωＡ：所定の回転周波数である。尚、磁束量のΦｍｉｎ，Φｍａｘの設定については、後で可変磁束制御部１３のところで説明する。
【００４６】
電流基準演算部１１では、トルク指令Ｔｍ＊と磁束指令Φ＊とを入力として、Ｄ軸電流基準ＩｄＲとＱ軸電流基準ＩｑＲを次式（３），（４）のように演算する。
【数３】
2010252573.tif 000005
【００４７】
同（３），（４）式は、モータのリラクタンストルクを用いないことを想定し、モータ極数も０とした演算式である。Ｄ軸インダクタンスＬｄとＱ軸インダクタンスＬｑの差異ΔＬがある突極形モータであっても、差異のない非突極形のモータであってもよい。
【００４８】
しかしながら、効率の最適化や所定電流での最大出力を考える場合、リラクタンストルクを考慮することが有効である。この場合、例えば、次式のように演算する。
【数４】
2010252573.tif 000006
【００４９】
ここに、ＫはＤ軸電流とＱ軸電流との比率であり、前述の効率最適化や最大出力等、用途によって変わる値である。最適化を図るためには関数形をとり、その引数としてトルク、速度等を用いる。また、簡易な近似やテーブル化して用いることもできる。また、（５）式の磁束指令Φ＊は、後述する磁束推定値Φｈを用いても、動作は可能である。
【００５０】
図１１は、磁化要求生成部２９の詳細な構成を示す。この図１１のブロックは、制御マイコンによって、所定時間ごとに制御がなされていると仮定する。磁束指令Φ＊は、前回値の保持部３１に入力され、その値が保持される。前回値の保持部３１の出力は、前回に記憶した磁束指令Φ＊であり、今回の磁束指令値Φ＊と共に、変化判定部３０に入力される。変化判定部３０では、入力２つの変化があった場合には１を、変化がない場合には０を出力する。すなわち、磁束指令Φ＊が変化した場合にのみ１が立つ。上記同様な回路を、磁束指令Φ＊に代わり、運転状態フラグＲｕｎについても有する。２つの変化判定部３０，３４の出力が論理和演算部（ＯＲ）３２に入力され、それらの論理和が磁化要求フラグＦＣｒｅｑとして出力される。
【００５１】
磁化要求生成部２９の出力である磁化要求フラグＦＣｒｅｑは、磁束指令Φ＊が変化した場合、あるいは、運転状態フラグＲｕｎが変化した場合に磁化要求（ＦＣｒｅｑ＝１）となり、それ以外では要求なし（ＦＣｒｅｑ＝０）となる。尚、運転状態フラグＲｕｎが変化する状態とは、インバータが始動するとき、停止するとき、保護で停止するときなどである。また、ここでは磁束指令Φ＊を用いているが、後述する可変磁束制御部１３の磁化電流指令Ｉｍ＊（磁化電流テーブル２７の出力）の変化で磁化要求ＦＣｒｅｑを生成してもよい。
【００５２】
図１２は、可変磁束制御部１３の詳細な構成を示す。可変磁束制御部１３は、磁束指令演算部１２の出力である磁束指令Φ＊を入力し、Ｄ軸電流基準ＩｄＲを補正するＤ軸磁化電流差分量ΔＩｄｍ＊を出力する。この磁化電流差分量ΔＩｄｍ＊は、加算器１４に入力されて、電流基準演算部１１からの基準電流を補正する。
【００５３】
この磁化電流差分量ΔＩｄｍ＊の生成は、以下の演算処理による。可変磁石ＶＭＧを磁化するためには、図９の可変磁石のＢＨ特性に則り、所定の磁化電流指令Ｉｍ＊を求めればよい。特に、磁化電流指令Ｉｍ＊の大きさは、図９中のＨ１ｓａｔ以上、すなわち、可変磁石の磁化飽和領域となるように設定する。
【００５４】
磁化飽和領域まで磁化電流を流すため、磁束指令演算部１２で設定すべき磁束量ΦｍｉｎやΦｍａｘは、可変磁石の磁束（磁束密度）がプラス、ないしは、マイナスの最大（飽和）値に固定磁石分を加算した値として設定する。可変磁石ＶＭＧの磁束量の正の最大値をΦｖａｒｍａｘ（負の最大値の絶対値は正の最大値と等しいとする）、固定磁石ＦＭＧの磁束量をΦｆｉｘとすれば、次式である。
【数５】
2010252573.tif 000007
【００５５】
磁束指令Φ＊を入力とし、対応する磁化電流を記憶した磁化電流テーブル２７によって、磁束指令Φ＊を得るための磁化電流指令Ｉｍ＊を出力する。
【００５６】
基本的に、磁石の磁化方向をＤ軸としているので、磁化電流指令Ｉｍ＊は、Ｄ軸電流指令Ｉｄ＊に与えるようにする。本実施の形態では、電流基準演算部１１からの出力であるＤ軸電流基準ＩｄＲを加算器１４にてＤ軸磁化電流指令差分ΔＩｄｍ＊で補正し、Ｄ軸電流指令Ｉｄ＊とする構成にしているので、減算器２６によってＤ軸磁化電流指令ΔＩｄｍ＊を次式によって求める。
【数６】
2010252573.tif 000008
【００５７】
尚、磁束切り替えの際には、Ｄ軸電流指令Ｉｄ＊に磁化電流Ｉｍ＊を直接与えるような構成とすることも可能である。
【００５８】
一方、磁化要求フラグＦＣｒｅｑは、磁束を切り替えたい要求の際に、少なくとも一瞬切り替え要求（ＦＣｒｅｑ＝１）が立つ。磁束を確実に可変とするために、磁化要求フラグＦＣｒｅｑを最小オンパルス器２８へと入力する。この出力である磁化完了フラグ（＝１：磁化中、＝０：磁化完了）は、一旦オン（＝１）が入力された場合、所定の時間の間はオフ（＝０）にならない機能を有する。所定時間を越えて入力がオン（＝１）である場合には、それがオフとなると同時に出力もオフとなる。
【００５９】
切り替え器２３には、磁化完了フラグが入力され、磁化中（磁化完了フラグ＝１）の場合、減算器２６の出力を、磁化完了（磁化完了フラグ＝０）の場合、０を出力する。
【００６０】
電圧指令演算部１０は、以上により生成されたＤＱ軸電流指令Ｉｄ＊，Ｉｑ＊に基づき、当該指令に一致する電流が流れるように電流制御器を含むＤＱ軸電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を生成する。
【００６１】
そして電圧指令演算部１０のＤＱ軸電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を、座標変換部５にて３相電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に変換し、この３相電圧指令によってＰＷＭ回路６がＰＷＭにてゲート信号を生成し、インバータ４をＰＷＭ制御する。
【００６２】
尚、座標変換部７は先にも述べたように、電流検出器２の交流検出電流Ｉｕ，Ｉｗを２軸ＤＱ軸変換してＤＱ軸電流検出値Ｉｄ，Ｉｑに変換して電圧指令演算部１０に入力する。また、擬似微分器８は速度検出器１８の信号からインバータ周波数ω１を求める。尚、電圧指令演算部１０、座標変換部５，７、ＰＷＭ回路６には、従来同様の公知技術が採用されている。
【００６３】
図１３には、各信号の動作のタイミングチャートの一例が示してある。ここでは保護信号は立っていない状況（ＰＲＯＴ＝０）だが、運転状態フラグＲｕｎの変化及び磁束指令Φ＊の変化にて磁化要求フラグが立ち、それを所定時間幅確保する磁化完了フラグが立ち、この磁化完了フラグの期間だけ、磁化電流指令Ｉｍ＊が値を持つ。
【００６４】
以上の構成により、本実施の形態によれば、次の作用効果を奏する。可変磁束モータ１は図９のＢＨ特性のように、インバータ電流による磁化に対し特性変化が急である。このため、実用上、同一の制御を施したとしても、位置センサレス制御で生じやすいＤ軸と磁束軸が厳密に一致しないという軸ずれや電流応答の差異、また、モータ個体差などにより、同一の磁束を繰り返し得ることは困難である。磁束の繰り返し精度が悪い場合、トルク精度が劣化して、好ましくない。
【００６５】
ところが、本実施の形態の可変磁束ドライブシステムによれば、可変磁石ＶＭＧの磁化特性のなかで磁化飽和域以上の磁化電流を流すように設定しており、磁化後の可変磁束量を確定し、その繰り返し精度を向上でき、よって、トルク精度を確保し、ドライブの信頼性を向上できる。
【００６６】
また、本実施の形態の可変磁束ドライブシステムによれば、磁化電流を流す時間の最小時間を設定しているため、中途半端な磁化状態で終了することがなく、これにより、磁化処理後の可変磁束量のばらつきを抑制し、トルク精度を向上できる。
【００６７】
次に図６に戻り、温度情報処理部１２２の機能についてさらに説明する。温度情報処理部１２２は次のいずれか１つまたは複数の制御を行うことができる。即ち、
(a)半導体電力素子の接合部温度がある温度より高いことが検出されたとき、可変磁束モータの磁化を行わない、または磁化電流を通常より小さくすることができる。このためには、例えば磁化要求生成部２９から磁化要求フラグが出力されるのを禁止する。或いは補正部１４５から指令電流が出力されるのを禁止する方法がある。
【００６８】
(b)可変磁束モータの磁化を行う途中で半導体電力素子の接合部温度がある温度に達したとき、磁化を停止または磁化電流を抑制することができる。この場合も、或いは補正部１４５から指令電流が出力されるのを停止する方法がある。
【００６９】
(ｃ)図４で説明したように、指令電流値から半導体電力素子接合部温度に比例した値を減算し、かつ、素子上限温度（接合部上限温度）から半導体電力素子接合部温度を減算した値を所定の時間ごとに積算した値を指令電流値に加算する手段を備えてもよい。
【００７０】
(d)さらに上記（a）−（ｃ）に加えて、インバータ入力直流電圧とスイッチング周波数から演算される磁化電流を流すようにしてもよい。例えば図４の減算器１４４の出力の値に応じて、インバータ入力直流電圧とスイッチング周波数から予め求めている磁化電流を可変磁束モータに流す制御出力を得るのである。そのために、インバータ入力直流電圧とスイッチング周波数に応じて、予め実験などで求めた適切な制御データをメモリに用意する。そして、減算器１４４の出力の値に対応する制御データをメモリから読出し、インバータの温度が低下するような電流制御データとして用いる。これにより、インバータの温度上昇を抑制することができる。
【００７１】
（e）また上記（a）−（ｃ）に加えて、可変磁束モータの磁力を変える前にインバータ入力電圧とスイッチング周波数を下げるようにしてもよい。可変磁束モータの磁力を変える前は、例えば磁化要求フラグの出力タイミングで判定可能である。また例えば図４の減算器１４４の出力の値がある範囲である場合は、半導体電力素子の温度がどのような領域（安全領域、警告領域、危険領域など）にあるかを判断することができる。
【００７２】
そこで警告領域にあるときは、可変磁束モータの磁力を変える前に、インバータ入力電圧を可変するために、例えばＤ軸電流基準ＩｄＲを予め設定した値に切り替えることで実行してもよい。これにより、インバータの温度低下を得ることができる。さらには、直接、インバータの出力電圧、或いはPWM回路６におけるスイッチング制御信号の周波数が、温度情報処理部１２２からの出力により、調整されてもよい。
【００７３】
（f）さらにまた上記（a）−（ｃ）に加えて、可変磁束モータの磁力を変える前にインバータの冷却を強化する手段を設けてもよい。通常は、インバータ４モジュールは、放熱フィンあるいは放熱器と一体化されている。放熱器を冷却用液体が循環して流れているものもある。冷却用液体は、ラジエータなどの冷却器で冷却され、放熱器を流れ、熱を吸収している。そこで、例えばラジエータに流れる液体量を低減させて、液体を一層強く冷却し、この冷却された液体をインバータの放熱器へ流し込むことで実現できる。
【００７４】
（ｇ）また図４の減算器１４４の出力の値応じて、可変磁束モータの磁力を変える前に他の駆動系にシステムの駆動を負担させる制御出力を得るようにしてもよい。この制御出力は、例えばハイブリッド車などにおいて有効に活用される。例えば可変磁束モータを動力として走行している途中で、インバータ温度が危険領域に達したとき、ガソリンを燃料とするエンジンに対して起動信号を送る必要があるが、このときの起動信号として、上記温度情報処理部１２２からの制御出力を利用するのである。
【００７５】
（ｈ）また図４の減算器１４４の出力の値応じて、可変磁束モータの磁力を変えた後は一定の期間、可変磁束モータの磁力を変えない制御出力を得るようにしてもよい。これは、インバータの冷却期間を考慮したものである。上記温度情報処理部１２２からの制御出力により、例えば磁化要求フラグを停止させる、あるいは指令電流Ｉｄを予め設定した値に切り替えるなどの制御を行った場合、一定期間は、その制御状態を維持する。これにより、インバータの冷却期間を十分確保することができる。
【００７６】
なおインバータ４には、スイッチング動作する複数の半導体電力素子が含まれ、それぞれの素子に対する温度センサ、或いはオンオフ関係になる素子に対する温度センサが設けられる。この場合、各温度センサからの検出温度データの平均データが、温度情報処理部１２２で測定温度データとして処理されてもよいし、或いは最も高い検出温度データが温度情報処理部１２２で測定温度データとして処理されてもよい。
【００７７】
図１４には、インバータ４の冷却を強化する手段の例を示している。通常は、インバータ４モジュールは、放熱フィンあるいは放熱器と一体化されている。放熱器を冷却用液体が循環して流れている。冷却用液体は、ラジエータ１５０などの冷却器で冷却され、インバータ４の放熱器を流れ、熱を吸収している。またこの冷却水は、モータ１あるいはバッテリー周辺を流れて冷却を行い、ラジエータ１５０に戻って、冷却処理を受けている。そこで、インバータ４における冷却効果を強化する場合、例えばラジエータ１５０に流れる液体量を低減させて、液体を一層強く冷却し、この冷却された液体をインバータ４の放熱器へ流し込むことで実現できる。
【００７８】
上記の機能を設けることにより、半導体電力素子の接合部の温度変化を精度良く推定し、インバータ及び可変磁束モータの動作上の安全性と信頼性を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
上記した本発明は、電気自動車、ハイブリッド車、電車などモータを用いる機器分野で有効な技術である。
【符号の説明】
【００８０】
１・・・可変磁束モータ、２U、２W・・・電流検出装置、３・・・直流電源、４・・・インバータ、５・・・座標変換部、６・・・PMW回路、７・・・座標変換部、８・・・擬似微分器、１０・・・電圧指令演算部、１１・・・電流基準演算部、１２・・・磁束指令演算部、１３・・・可変磁束制御部、１４・・・加算器、１５・・・ゲート指令生成部、１６・・・運転指令生成部、１７・・・保護判定部、２９・・・磁化要求生成部、１１１・・・半導体電力素子、１１２・・・ゲートスイッチ回路、１２１・・・温度センサ、１２２・・・温度情報処理部、１２４・・・加算器、１３０・・・モデル化回路、１４１・・・比例定数演算部、１４２・・・減算器、４３・・・積分定数演算部、１４４・・・減算器、１４５・・・補正部。
【図１】
2010252573.tif 000009
【図２】
2010252573.tif 000010
【図３】
2010252573.tif 000011
【図４】
2010252573.tif 000012
【図５】
2010252573.tif 000013
【図６】
2010252573.tif 000014
【図７】
2010252573.tif 000015
【図８】
2010252573.tif 000016
【図９】
2010252573.tif 000017
【図１０】
2010252573.tif 000018
【図１１】
2010252573.tif 000019
【図１２】
2010252573.tif 000020
【図１３】
2010252573.tif 000021
【図１４】
2010252573.tif 000022