(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路を構成する半導体スイッチング素子をオンオフ制御するスイッチング制御部とを有して電動機の駆動および回生を制御する電動機制御装置であって、
前記スイッチング制御部は、前記電動機からの回生エネルギーを前記直流電源に回生することが不可である電源側異常状態であるかを判定する電源側異常判定手段と、前記電源側異常判定手段により電源側異常状態と判定された場合に、前記インバータ回路の損失と前記電動機の損失を合わせたトータルの総合損失が増加するように前記半導体スイッチング素子のスイッチング周波数を変更するスイッチング周波数可変手段とを備えたことを特徴とする電動機制御装置。
【請求項２】
前記スイッチング制御部は、前記電動機が回生状態であるかを判定する回生モード判定手段を備え、前記スイッチング周波数可変手段は、前記電源側異常判定手段により電源側異常状態と判定され、かつ、前記回生モード判定手段により回生状態であると判定された場合に、前記インバータ回路の損失と前記電動機の損失を合わせたトータルの総合損失が増加するように前記半導体スイッチング素子のスイッチング周波数を変更することを特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置。
【請求項３】
前記電源側異常判定手段は、前記インバータ回路の直流母線電圧が所定値以上となった場合に電源側異常状態と判定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動機制御装置。
【請求項４】
前記スイッチング周波数可変手段は、前記インバータ回路および前記電動機を正常に制御できるスイッチング周波数の範囲で、総合損失が最大となるスイッチング周波数を最大損失スイッチング周波数として予め記憶し、この最大損失スイッチング周波数に変更することで総合損失が増加するようにスイッチング周波数を変更することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電動機制御装置。
【請求項５】
前記最大損失スイッチング周波数は、少なくとも前記電動機の回転速度に対応して設定された値が予め記憶され、前記スイッチング周波数可変手段は、少なくとも前記電動機の回転速度に応じて最大損失スイッチング周波数を決定することを特徴とする請求項４に記載の電動機制御装置。
【請求項６】
前記最大損失スイッチング周波数は、少なくとも前記電動機の電流値に対応して設定された値が予め記憶され、前記スイッチング周波数可変手段は、少なくとも電動機の電流値に応じて最大損失スイッチング周波数を決定することを特徴とする請求項４または請求項５に記載の電動機制御装置。
【請求項７】
前記最大損失スイッチング周波数は、少なくとも前記インバータ回路の直流母線電圧に対応して設定された値が予め記憶され、前記スイッチング周波数可変手段は、少なくとも前記インバータ回路の直流母線電圧に応じて最大損失スイッチング周波数を決定することを特徴とする請求項４から請求項６のいずれか１項に記載の電動機制御装置。
【請求項８】
前記スイッチング周波数可変手段は、前記電動機の回転速度に基づいて電動機の制御が可能であるスイッチング周波数の下限値を演算し、その下限値にスイッチング周波数を変更することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電動機制御装置。
【請求項９】
前記スイッチング周波数可変手段は、前記インバータ回路および前記電動機を正常に制御できるスイッチング周波数における上限値にスイッチング周波数を変更することを特徴
とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電動機制御装置。
【請求項１０】
前記インバータ回路のスイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体により形成されていることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の電動機制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、交流電動機を駆動制御する電動機制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、走行時には交流電動機を力行運転して走行駆動トルクを発生させ、制動時には交流電動機を回生運転して回生制動トルクを発生させる交流電動機を駆動力源とする電気自動車が知られている。
【０００３】
電気自動車の駆動システムは、リチウムイオンバッテリー等の二次電池による直流電源に、コンデンサと複数の半導体スイッチからなるインバータが接続され、このインバータには、負荷として交流電動機が接続される。インバータは、複数の半導体スイッチを所定のスイッチング周波数でオンオフすることにより、直流電源の直流電力を所定の交流電力に変換して、負荷である交流電動機のトルクや回転数を調節する。交流電動機は、電気自動車用途では、効率が良い永久磁石同期電動機がよく用いられる。交流電動機は動作状況によっては発電機として動作し、発電によって生じる回生電力を直流電源に充電する。
なお、インバータの動作原理については、広く一般的であるので、ここでは説明を省略する。
【０００４】
この電気自動車の駆動システムでは、直流電源であるバッテリを過電圧や過電流から保護するために、必要に応じてバッテリとインバータとを切り離す開閉手段が設けられる。この開閉手段の開放条件としては、電動機の回生運転時にバッテリの電圧が所定値以上になった場合や、バッテリの消耗によりバッテリ電圧が所定値以下になった場合や、バッテリに流れる電流が所定値以上になった場合などがある。
このようなシステムでは、電動機を回生運転中に開閉手段が開放され直流電源と切り離されることがある。また、開閉手段を有さないシステムであっても、直流電源とインバータ間の電力線が断線することにより、直流電源と切り離されることがある。このような場合、電動機からインバータに流入する回生電力をバッテリに充電することができず、インバータのコンデンサに充電することとなり、コンデンサに過電圧がかかりコンデンサが破損する場合がある。
【０００５】
この対策として、インバータが直流電源と切り離された場合には、インバータの全ての半導体スイッチをオフしてインバータ動作を停止させ、交流電動機の回生運転を停止する方法がある。しかしながら、この方法では、電動機の回生制動トルクが急に低下し、車両の回生制動ブレーキが急に利かなくなるため、ドライバーの運転操作性を著しく悪化させる。また、インバータ動作を急に停止させると、電動機の誘起電圧によりインバータに過大なサージ電流が流れる場合があり、半導体スイッチ等を破損させる場合がある。
【０００６】
また、別の対策として、電動機からインバータに流入する回生電力を発熱させて消費する放電回路を付設し、コンデンサに過大に流入する回生電力を放電回路で消費する方法がある。しかしながら、この方法では放電回路を付設する分、インバータのサイズが大きくなる。特に、放電回路で消費すべき回生電力が大きいと、耐電力の大きい素子を使用して放電回路を構成する必要があり、インバータの小型化・低コスト化の障害になる。限られた車両スペースに配置する必要がある電気自動車用のインバータにとって、小型化への障害は大きな課題である。
【０００７】
この課題に対しては、直流電源側に流入される回生電力を小さくする方法で改善することができる。その方法として、特許文献１には、回生電力による直流電圧の変動分に対応
させてインバータのスイッチング周波数を可変制御して、回生電力をインバータのスイッチング素子によるスイッチング損失で消費させることを特徴とするインバータの回生電力処理方法が開示されている。
【０００８】
この技術は、回生電力が増えると、その増加分に対応させてインバータのスイッチング周波数を上げてスイッチング損失を増加させる。そして、回生電力をスイッチング損失により消費させることにより、放電回路等の回生電力消費部品を省略できる小型なインバータの実現を図るものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平９−１２１５６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１に開示された手法によれば、回生電力が増加した場合にスイッチング損失のみを考慮してスイッチング周波数を増加させるもので、電動機損失のスイッチング周波数依存性を考慮していないため、回生電力を効果的にインバータおよび電動機の損失で消費できていなかった。
具体的には、電気自動車用インバータでよく使用されるスイッチング周波数範囲では、図３に示すようにスイッチング周波数を上げるとインバータ効率は低下し、電動機効率は上昇するのが一般的であり、トータルの総合効率はスイッチング周波数を上げても必ずしも低下しない。すなわち、スイッチング周波数を上げると総合損失が減少する場合がある。このような場合では、スイッチング損失が増加するようにスイッチング周波数を上げると、インバータおよび電動機で消費する回生電力が減少することとなり、その結果、直流電源側に流入される回生電力がより大きくなるため、この方法ではインバータの小型化を実現できないという課題があった。
【００１１】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、インバータが直流電源に電力を回生できない状況下であっても、回生運転を停止することなく直流母線電圧が過電圧になるのを防止する電動機制御装置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】
【００１２】
この発明に係る電動機制御装置は、直流電源の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、インバータ回路を構成する半導体スイッチング素子をオンオフ制御するスイッチング制御部とを有して電動機の駆動および回生を制御する電動機制御装置であって、スイッチング制御部は、電動機からの回生エネルギーを直流電源に回生不可である電源側異常状態であるかを判定する電源側異常判定手段と、電源側異常判定手段により電源側異常状態と判定された場合に、インバータ回路の損失と電動機の損失を合わせたトータルの総合損失が増加するように半導体スイッチング素子のスイッチング周波数を変更するスイッチング周波数可変手段とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１３】
この発明のような構成とすることにより、インバータ回路が直流電源に電力を回生できない状況下であっても、回生運転を停止することなく直流母線電圧が過電圧になるのを防止する電動機制御装置を小型、低コストで提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の実施の形態１に係る電動機制御装置の構成を示すシステム構成図である。
【図２】三角波比較方式によるインバータ回路のスイッチング制御信号生成方法を説明するための図である。
【図３】インバータ効率、電動機効率、総合効率とスイッチング周波数の関係を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係る電動機制御装置の構成を示すシステム構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
一般に、電動機（モータ）は、電力を駆動力に変換して力行運転するものであるが、そのままの構造で駆動力を電力に逆変換して回生運転することが可能である。また、発電機（ジェネレーター）は、駆動力を電力に変換して発電するものであるが、そのままの構造で電力を駆動力に逆変換して力行運転することが可能である。すなわち、電動機と発電機は基本的に同一構造であり、どちらも力行運転と回生運転が可能である。この明細書では、電動機と発電機の双方の機能を持つ回転電機を単に電動機と呼ぶ。
【００１６】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１に係る電動機制御装置を図１から図３に基づいて詳細に説明する。
図１は実施の形態１における電動機制御装置のシステム構成図である。説明の都合上、インバータ回路に直流電力を供給するとともに回生電力で充電されるバッテリ等の直流電源及び制御対象の３相交流電動機を含んで図示している。
【００１７】
図１において、電動機制御装置８０は、電力開閉器７０を介して直流母線１ａ、１ｂにより直流電源９０と接続され、駆動電力や回生電力を直流電源９０と授受する。また、電動機制御装置８０は、交流母線２ａにより電動機１０と接続され、駆動電力や回生電力を電動機１０と授受する。また、電動機１０は電動機の回転角を検出する回転角センサ３０を備えている。
なお、電動機１０は、負荷を回転駆動するとともに、負荷の回転エネルギーを電気エネルギーとして回生可能な電動機であり、永久磁石３相交流同期モータや３相ブラシレスモータが使用される。
【００１８】
電動機制御装置８０は、インバータ回路２０とスイッチング制御部６０で構成されている。インバータ回路２０は、電源入力側の直流母線１ａ、１ｂ間に接続されたコンデンサ２１と、放電スイッチ２２と放電抵抗２３が直列接続された回路構成でコンデンサ２１に並列に接続される放電回路と、インバータ回路２０の直流母線電圧を検出する電圧検出手段２４と、複数のスイッチング素子で構成され直流／交流の電力変換をする電力変換回路２５と、交流母線２ａに流れる電動機１０の電流値を検出する電動機電流検出手段２６を備えている。
【００１９】
スイッチング制御部６０は、電動機制御装置全体の制御を司るもので、電力変換回路２５を構成する複数のスイッチング素子をオンオフ制御するスイッチング制御信号生成部６１と、直流電源９０に回生電力を回生することが不可である電源側異常状態であるかを判定する電源側異常判定手段６２と、電源側異常判定手段６２により電源側異常状態と判定された場合に、インバータ回路２０の損失と電動機１０の損失を合わせたトータルの総合損失が増加するように半導体スイッチング素子のスイッチング周波数を変更するスイッチング周波数可変手段６３を備えている。
【００２０】
スイッチング制御部６０のスイッチング制御信号生成部６１は、マイクロコントローラや駆動回路等から構成され、電圧検出手段２４から直流母線電圧情報、回転角センサ３０から電動機１０の回転角情報、電動機電流検出手段２６から電動機電流情報、スイッチング周波数可変手段６３からスイッチング周波数情報が入力され、これらの入力情報と外部（図示しない）から入力される指令値に従い、電力変換回路２５の各スイッチング素子へのオンオフ制御信号を演算し、電力変換回路２５へオンオフ制御信号を出力する。
【００２１】
電力開閉器７０は、直流電源９０と電動機制御装置８０の電力授受を制御するものである。電力開閉器７０は、電動機１０を回生運転時に直流電源９０の電圧が所定値以上になった場合や、直流電源９０の消耗等により直流電源９０の電圧が所定値以下となった場合や、直流電源９０に流れる電流が所定値以上になった場合などに、図示しない上位のシステムにより開放状態に制御される。なお、電力開閉器７０はスイッチング制御部６０により制御される構成としても何ら問題ない。
【００２２】
インバータ回路２０のコンデンサ２１は、直流母線電圧のリップルを抑制する働き、インバータ回路２０の電源インピーダンスを低下させてインバータ回路２０の交流電流駆動能力を向上させる働き、サージ電圧を吸収する働き、などがある。
インバータ回路２０の放電スイッチ２２は、電力開閉器７０が開放状態の時に直流母線電圧が所定の電圧以上となった場合にコンデンサ２１に蓄電された電力や電動機１０による回生電力を放電する経路を形成することが主要な目的である。
【００２３】
図１においては、スイッチング制御部６０にて、電圧検出手段２４から入力された直流母線電圧が所定値以上であるかを判定し、所定値以上である場合に放電スイッチ２２をオンするよう制御信号を出力することで放電スイッチ２２がオンされ、コンデンサ２１に蓄積されたエネルギーが放電抵抗２３で消費される。なお、放電スイッチ２２のオンオフは、スイッチング制御部６０に含まれるマイクロコントローラで制御する方法や、直流母線電圧を比較回路等により判定して回路のみで放電スイッチ２２をオンオフする方法などがある。また、放電スイッチ２２と放電抵抗２３の代わりにバリスタやツェナーダイオード等の定電圧素子を用いる構成としても良い。
【００２４】
電圧検出手段２４は、直流母線電圧を分圧抵抗等によりスイッチング制御部６０で読み込める電圧に分圧し、スイッチング制御部６０に直流母線電圧情報を出力する。
電動機電流検出手段２６は、交流母線２ａを流れる電動機電流値を検出するものであり、電流値を電圧に変換してスイッチング制御部６０に出力する。図１では、シャント抵抗により電流値を検出する構成を示している。電動機電流検出手段２６は、ホール素子等を用いた電流センサとしても良い。
【００２５】
回転角センサ３０は、レゾルバやエンコーダ等により電動機１０のロータ回転角を検出するものである。この検出されたロータ回転角は、スイッチング制御部６０に出力する。
電力変換回路２５は、６つのスイッチング素子をフルブリッジ接続したインバータである。
図１に示す電力変換回路２５のスイッチング素子は、電界効果トランジスタの一種であるＭＯＳＦＥＴであるが、その他のトランジスタ、ＩＧＢＴ等を用いてもよい。これらのスイッチング素子はスイッチング制御部６０のスイッチング制御信号生成部６１による制御信号により駆動されることでオンオフ動作し、直流電力を交流電力に変換し電動機１０に供給するとともに電動機１０が回生状態において発生する回生電力を直流電源９０に充電する。
【００２６】
スイッチング制御信号生成部６１からのオンオフ制御信号は一般的にはＰＷＭ信号であり、生成方式としては三角波比較方式が代表的な手法である。三角波比較方式は周知の技術であり、ここでは図２を用いて簡単に説明する。まず、スイッチング周波数に対応する周波数の三角波信号を生成する。次に、外部からの指令値に基づいて、インバータの出力として所望の電圧が得られるデューティを演算する。そして、この三角波信号とデューティの大小を比較し、その大小に応じてオンオフを切り替えることでデューティに対応したＰＷＭ信号が生成できる。デューティの演算方法は、インバータを駆動する上で広く一般的であるので、ここでは説明を省略する。
【００２７】
さらに、スイッチング制御部６０の電源側異常判定手段６２は、電圧検出手段２４から入力された直流母線電圧情報をもとに電源側異常状態であるかどうかを判定し、判定結果をスイッチング周波数可変手段６３に出力する。スイッチング周波数可変手段６３は、電圧検出手段２４から直流母線電圧情報、回転角センサ３０から電動機の回転角情報、電動機電流検出手段２６から電動機電流情報、電源側異常判定手段６２から電源側異常状態判定結果、が入力され、これらの入力情報からスイッチング周波数を設定し、スイッチング制御信号生成部６１に出力する。
【００２８】
次に、この発明の実施の形態１における電動機制御装置の動作を説明する。
まず、電源側異常判定手段６２が電圧検出手段２４から入力された直流母線電圧値に基づいて、回生電力を直流電源９０に回生することが不可かどうかを判定する。具体的には、直流母線電圧が予め定められた所定値以上である場合に、回生電力を直流電源９０に回生不可である電源側異常状態と判定し、それ以外の場合は電源側正常状態と判定する。これにより、電力開閉器７０が開放状態中に電動機１０が回生動作することで回生電力がコンデンサ２１に蓄電され、コンデンサ２１の両端電圧すなわち直流母線電圧が過電圧となっている場合や、電力開閉器７０が導通状態であっても直流電源９０が過充電状態である場合など、回生電力を直流電源９０に回生できない場合に電源側異常状態と判定できる。
【００２９】
電源側異常判定手段６２により電源側正常状態と判定された場合には、何ら問題なく電動機１０を力行運転および回生運転できる状態であり、スイッチング周波数可変手段６３は従来通りの方法にて所定のスイッチング周波数を設定する。一般的には、損失、制御応答性、騒音や電磁ノイズ等を考慮してスイッチング周波数は決められ、基本的な方法として、予め設定された一定のスイッチング周波数とする非同期型や、電動機の回転速度に比例してスイッチング周波数を随時変更する同期型がある。そして、スイッチング制御信号生成部６１は、スイッチング周波数可変手段６３で設定されたスイッチング周波数を受け、三角波比較方式でこのスイッチング周波数に対応したＰＷＭ制御信号を生成し、電力変換回路２５のスイッチング素子をオンオフ動作させる。
【００３０】
電源側異常判定手段６２により電源側異常状態と判定された場合には、直流電源９０に回生電力を回生できない状態であるため、後述する方法でスイッチング周波数可変手段６３は電動機１０および電力変換回路２５の総合損失が大きくなるスイッチング周波数を選択する。そして、スイッチング制御信号生成部６１は、スイッチング周波数可変手段６３で設定されたスイッチング周波数を受け、三角波比較方式でこのスイッチング周波数に対応したＰＷＭ制御信号が生成し、電力変換回路２５のスイッチング素子をオンオフ動作させる。これにより、電力変換回路２５の入力側への回生電力量を小さくすることができる。
【００３１】
以下に、電源側異常状態と判定された場合のスイッチング周波数可変手段６３によるスイッチング周波数設定方法を詳述する。
スイッチング周波数可変手段６３は、総合損失が最も悪くなる最大損失スイッチング周波数を電動機１０の回転速度に対応して予めメモリに記憶している。例えば、電動機１０の回転速度に対応する最大損失スイッチング周波数を２次元マップとしてメモリに記憶している。そして、回転角センサ３０から入力される電動機１０の回転角から電動機１０の回転速度を演算し、この電動機１０の回転速度に対応する最大損失スイッチング周波数を上述の２次元マップを参照して設定する。
【００３２】
なお、予め記憶している最大損失スイッチング周波数は、電動機制御装置８０が正常に電動機１０を駆動することができる周波数範囲内で設定されている。すなわち、電動機制御装置８０や電動機１０が発熱により熱暴走せず、使用するスイッチング素子の性能で駆動でき、マイクロコントローラの演算処理負荷がオーバーせず、電動機１０を発振やトルク脈動なく正常に制御できるスイッチング周波数範囲内で設定されている。特に、電動機１０を正常に制御するのに必要なスイッチング周波数の下限値は電動機１０の回転速度に比例することが一般的に知られており、スイッチング周波数範囲の下限値は電動機１０の回転速度が考慮されて設定されている。
【００３３】
上述の動作により、直流母線電圧により直流電源９０に回生電力を回生できない状態を判定し、直流電源９０に回生電力を回生できない状態である場合に、電動機１０の回転速度に応じて総合損失が最大となるスイッチング周波数を設定してスイッチング素子をオンオフ動作させるので、直流電源９０に回生電力を回生できない場合に、電動機１０を正常に制御できる範囲で総合損失を最大にして電源入力側への回生電力が小さくすることができる。
【００３４】
以上の実施の形態１によれば、直流電源９０に回生電力を回生できない場合に、インバータ損失と電動機損失を合わせたトータルの総合損失が増加するように半導体スイッチング素子のスイッチング周波数を変更するので、電源入力側への回生電力が小さくなり、コンデンサ２１や放電回路（放電スイッチ２２と放電抵抗２３の直列回路）に容量・耐電圧が比較的小さい小型の素子を採用でき、回生運転中にインバータ回路２０と直流電源９０が切り離された場合にも破損しない電動機制御装置を小型で実現することができる。
【００３５】
なお、実施の形態１では、スイッチング周波数可変手段６３は、最大損失スイッチング周波数を電動機１０の回転速度に対応して予めメモリに記憶している構成としたが、総合損失はインバータ回路２０や電動機１０に流れる電流によっても変化するため、最大損失スイッチング周波数を電動機１０の回転速度と電動機電流値に対応して予めメモリに記憶している構成としても良い。例えば、電動機の回転速度と電動機電流の実効値に対応する最大損失スイッチング周波数を３次元マップとしてメモリに記憶している。そして、回転角センサ３０から入力される電動機１０の回転角から電動機１０の回転速度を演算し、電動機電流検出手段２６から入力される電流値から電動機電流の実効値を演算し、この電動機１０の回転速度と電動機電流の実効値に対応する最大損失スイッチング周波数を上述の３次元マップを参照して設定する。これにより、電動機制御装置の動作状況により整合した総合損失情報に基づいてスイッチング周波数を設定できるため、より効果的に回生電力を消費することができる。また、最大損失スイッチング周波数は電動機１０の回転速度と電動機電流値に対応してメモリに記憶する代わりに、電動機電流値のみに対応して予めメモリに記憶させてもよい。
【００３６】
さらに、総合損失は直流母線電圧によっても変化するため、最大損失スイッチング周波数を電動機１０の回転速度と電動機電流値と直流母線電圧に対応して予めメモリに記憶している構成としても良い。例えば、電動機１０の回転速度と電動機電流の実効値に対応する最大損失スイッチング周波数の３次元マップを直流母線電圧の大きさに応じて複数記憶している。そして、電圧検出手段２４から入力される直流母線電圧に基づいて使用する３次元マップを選択する。そして、回転角センサ３０から入力される電動機１０の回転角から電動機１０の回転速度を演算し、電動機電流検出手段２６から入力される電流値から電動機電流の実効値を演算し、この電動機１０の回転速度と電動機電流の実効値に対応する最大損失スイッチング周波数を上述の３次元マップを参照すると共に直流母線電圧の大きさに応じて設定する。これにより、電動機制御装置の動作状況により整合した総合損失情報に基づいてスイッチング周波数を設定できるため、より効果的に回生電力を消費することができる。また、最大損失スイッチング周波数は電動機１０の回転速度と電動機電流値と直流母線電圧に対応してメモリに記憶する代わりに、直流母線電圧のみに対応して予めメモリに記憶させてもよいし、あるいは直流母線電圧と電動機１０の回線速度に対応して予めメモリに記憶させてもよいし、あるいは、直流母線電圧と電動機電流の実効値に対応して予めメモリに記憶させてもよい。
【００３７】
なお、電力変換回路２５のスイッチング素子はどのような素子を用いてもよいが、例えばワイドバンドギャップ半導体を用いることができる。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンド等により形成されたものがある。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子で構成されたインバータ（以下、ワイドバンドギャップインバータと称す）は、従来のＳｉ（シリコン）によって形成されたスイッチング素子で構成されたインバータ（以下、Ｓｉインバータと称す）と比較して、低損失であり、高周波駆動が可能である特徴がある。
【００３８】
従って、ワイドバンドギャップインバータを用いた電動機制御装置では、Ｓｉインバータを用いた電動機制御装置と比較して、総合損失に対する電動機損失の割合が大きくなる。そのため、ワイドバンドギャップインバータを用いた電動機制御装置は、インバータ損失のみを考慮するのではなく、インバータ損失と電動機損失を合わせた総合損失を考慮する必要性がより大きくなるものであり、この発明の技術を適用することでワイドバンドギャップインバータにおいても、より効果的に回生電力を消費することができる。
【００３９】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る電動機制御装置を図４に基づいて詳細に説明する。図４は実施の形態２における電動機制御装置のシステム構成図である。説明の都合上、インバータ回路に直流電力を供給するとともに回生電力で充電されるバッテリ等の直流電源及び制御対象の３相交流電動機を含んで図示している。
【００４０】
図４において、電動機制御装置８０は、実施の形態１と同様にインバータ回路２０とスイッチング制御部６０で構成されているが、インバータ回路２０に直流母線電流検出手段２７が付加され、スイッチング制御部６０に回生モード判定手段６４が付加されている。また、スイッチング周波数可変手段６３への入力信号が実施の形態１とは若干異なっている。その他の構成は実施の形態１の図１と同じであるので、図中において、図１と同一または相当する部分については同一符号を付して説明を省略する。
【００４１】
直流母線電流検出手段２７は、直流電源９０と電力変換回路２５との間の直流母線電流値を検出するものであり、電流値を電圧に変換してスイッチング制御部６０に出力する。図４では、シャント抵抗により電流値を検出する構成を示している。直流母線電流検出手段２７は、ホール素子等を用いた電流センサとしても良い。
回生モード判定手段６４は、直流母線電流検出手段２７から入力される直流母線電流情報をもとに電動機１０が回生状態であるかどうかを判定するものである。
【００４２】
そして、スイッチング周波数可変手段６３は、電源側異常判定手段６２により電源側異常状態であると判定され、かつ回生モード判定手段６４により電動機１０が回生状態と判定された場合に、回転角センサ３０から電動機の回転角情報、電源側異常判定手段６２からの電源側異常状態判定結果、回生モード判定手段６４からの回生モード判定結果を入力して、インバータ損失と電動機損失を合わせたトータルの総合損失が増加するようにスイッチング素子のスイッチング周波数を設定し、スイッチング制御信号生成部６１に出力する。
【００４３】
次に、この発明の実施の形態２における電動機制御装置の動作を説明する。
まず、電源側異常判定手段６２が電圧検出手段２４から入力された直流母線電圧値に基づいて、回生電力を直流電源９０に回生することが不可かどうかを判定する。具体的には、直流母線電圧が予め定められた所定値以上である場合に、回生電力を直流電源９０に回生不可である電源側異常状態と判定し、それ以外の場合は電源側正常状態と判定する。これにより、電力開閉器７０が開放状態中に電動機１０が回生動作することで回生電力がコンデンサ２１に蓄電され、コンデンサ２１の両端電圧すなわち直流母線電圧が過電圧となっている場合や、電力開閉器７０が導通状態であっても直流電源９０が過充電状態である場合など、回生電力を直流電源９０に回生できない場合に電源側異常状態と判定できる。
【００４４】
また、回生モード判定手段６４が直流母線電流検出手段２７から入力された直流母線電流値に基づいて、電動機１０が回生状態であるかを判定する。具体的には、電流の正負を図４に示す向きとすると、直流母線電流値が＋の時に回生状態と判定し、直流母線電流値が−の時に力行状態と判定する。
【００４５】
電源側異常判定手段６２により電源側正常状態と判定された場合には、何ら問題なく電動機１０を力行運転および回生運転できる状態であり、スイッチング周波数可変手段６３は従来通りの方法にて所定のスイッチング周波数を設定する。一般的には、損失、制御応答性、騒音や電磁ノイズ等を考慮してスイッチング周波数は決められ、例えば、予め設定された一定のスイッチング周波数とする非同期型と称される方法や、電動機の回転速度に比例してスイッチング周波数を随時変更する同期型と称される方法が用いられる。そして、スイッチング制御信号生成部６１は、スイッチング周波数可変手段６３で設定されたスイッチング周波数を受け、三角波比較方式でこのスイッチング周波数に対応したＰＷＭ制御信号を生成し、電力変換回路２５のスイッチング素子をオンオフ動作させる。
【００４６】
電源側異常判定手段６２により電源側異常状態と判定された場合で、かつ回生モード判定手段６４により力行状態と判定された場合には、電動機１０の力行運転は可能な状態であるため、スイッチング周波数可変手段６３は従来通りの方法にて所定のスイッチング周波数を設定する。一般的には、損失、制御応答性、騒音や電磁ノイズ等を考慮してスイッチング周波数は決められ、例えば、予め設定された一定のスイッチング周波数とする非同期型と称される方法や、電動機１０の回転速度に比例してスイッチング周波数を随時変更する同期型と称される方法が用いられる。そして、スイッチング制御信号生成部６１は、スイッチング周波数可変手段６３で設定されたスイッチング周波数を受け、三角波比較方式でこのスイッチング周波数に対応したＰＷＭ制御信号を生成し、電力変換回路２５のスイッチング素子をオンオフ動作させる。
【００４７】
電源側異常判定手段６２により電源側異常状態と判定された場合で、かつ回生モード判定手段６４により回生状態と判定された場合には、直流電源９０に回生電力を回生できない状態であるため、後述する方法でスイッチング周波数可変手段６３は電動機１０および電力変換回路２５の総合損失が大きくなるスイッチング周波数を選択する。そして、スイッチング制御信号生成部６１は、スイッチング周波数可変手段６３で設定されたスイッチング周波数を受け、三角波比較方式でこのスイッチング周波数に対応したＰＷＭ制御信号が生成し、電力変換回路２５のスイッチング素子をオンオフ動作させる。これにより、電力変換回路２５の入力側への回生電力量を小さくすることができる。
【００４８】
以下に、電源側異常判定手段６２により電源側異常状態と判定された場合で、かつ回生モード判定手段６４により回生状態と判定された場合のスイッチング周波数可変手段６３によるスイッチング周波数設定方法を詳述する。
一般的に電動機効率は、図３に示すように電動機１０を正常に制御可能なスイッチング周波数の下限値近傍で大きく低下する。電動機効率の大きな低下に伴い、総合効率もこのスイッチング周波数下限値近傍で低下するのが一般的である。従って、電動機１０を正常に制御可能なスイッチング周波数の下限値をスイッチング周波数に設定することで、総合
損失を増加させることができる。
【００４９】
具体的には、スイッチング周波数可変手段６３は、回転角センサ３０から入力される電動機１０の回転角から電動機１０の回転速度を演算し、この電動機１０の回転速度から電動機１０を正常に制御するために必要なスイッチング周波数下限値ｆｍｉｎを次式により演算する。
ｆｍｉｎ＝ｋ×Ｐｍ×ＭｔｒＳｐｄ／６０
ここで、ｆｍｉｎ：スイッチング周波数下限値「Ｈｚ」、
ｋ：比例定数、
Ｐｍ：電動機の極対数、
ＭｔｒＳｐｄ：電動機の回転速度「ｒ／ｍｉｎ」である。
また、比例定数ｋは１０程度であることが一般的に知られている。そして、このｆｍｉｎをスイッチング周波数に設定する。
【００５０】
上述の動作により、直流母線電圧により直流電源９０に回生電力を回生できない状態を判定するとともに直流母線電流により電動機１０の回生状態を判定することで、総合損失を増加させる必要がある場合を正確に判定できる。すなわち、総合損失を不要に増加させることがない。また、直流電源９０に回生電力を回生できない状態であり、かつ電動機１０が回生状態である場合に、電動機１０を正常に制御可能なスイッチング周波数の下限値をスイッチング周波数に設定してスイッチング素子をオンオフ動作させるので、マップ等のメモリを必要とすることなく簡易な演算のみで、直流電源９０に回生電力を回生できない場合に、回生電力の総合損失を増加して電源入力側への回生電力が小さくすることができる。
【００５１】
以上の実施の形態２によれば、直流電源９０に回生電力を回生できない場合に、インバータ損失と電動機損失を合わせたトータルの総合損失が増加するように半導体スイッチング素子のスイッチング周波数を変更するので、電源入力側への回生電力が小さくなり、コンデンサ２１や放電回路（放電スイッチ２２と放電抵抗２３の直列回路）に容量・耐電圧が比較的小さい小型の素子を採用でき、回生運転中にインバータと直流電源９０が切り離された場合にも破損しない電動機制御装置を小型で実現することができる。
【００５２】
なお、実施の形態２では、スイッチング周波数可変手段６３は、電源側異常判定手段６２により電源側異常状態と判定された場合で、かつ回生モード判定手段６４により回生状態と判定された場合に、電動機１０を正常に制御するために必要なスイッチング周波数下限値をスイッチング周波数に設定するとしたが、インバータおよび電動機のシステムによってはこの限りではない。例えば、電動機損失はあるスイッチング周波数まではスイッチング周波数を増加させるほど小さくなるが、そのスイッチング周波数より増加させると電動機損失は大きくなる。このような高周波なスイッチング周波数領域では、インバータ損失と電動機損失がともに大きくなるため、総合損失も顕著に大きくなる。
【００５３】
従って、高周波のスイッチング動作が可能な電動機制御装置においては、電源側異常判定手段６２により電源側異常状態と判定された場合で、かつ回生モード判定手段６４により回生状態と判定された場合に、電動機制御装置８０が動作可能なスイッチング周波数上限値をスイッチング周波数に設定する構成としても良い。これにより、スイッチング周波数が高い領域で顕著に総合損失が大きくなるシステムにおいても、効果的に回生電力を消費することができる。
【００５４】
なお、この発明は上記実施の形態はあくまで一例であり、本発明が適用できるものであれば上記実地の形態に何ら限定されない。例えば、上記実施の形態では、直流電源９０と電動機制御装置８０を直接接続していたが、直流電源９０と電動機制御装置８０の間に昇
圧や降圧を行うＤＣ／ＤＣコンバータを配置する構成としても良いし、交流電源の交流電力を直流電力に変換する整流器やＡＣ／ＤＣコンバータを介して交流電源と接続される構成としてもよい。また、上記実施の形態では、電気自動車を例として説明したが、エンジンと電動機を併用するハイブリット車両に適用しても良いし、さらには車両に限定されるものではない。
【００５５】
以上、この発明の実施の形態を記述したが、この発明は実施の形態に限定されるものではなく、種々の設計変更を行うことが可能であり、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１ａ、１ｂ：直流母線、  ２ａ：交流母線、  １０：電動機、  ２０：インバータ回路、
２１：コンデンサ、  ２２：放電スイッチ、  ２３：放電抵抗、  ２４：電圧検出手段、
２５：電力変換回路、  ２６：電動機電流検出手段、  ２７：直流母線電流検出手段、
３０：回転角センサ、  ６０：スイッチング制御部、
６１：スイッチング制御信号生成部、  ６２：電源側異常判定手段、
６３：スイッチング周波数可変手段、  ６４：回生モード判定手段、
７０：電力開閉器、  ８０：電動機制御装置、  ９０：直流電源。
【要約】
【課題】インバータが直流電源に電力を回生できない状況下であっても、回生運転を停止することなく直流母線電圧が過電圧になるのを防止する電動機制御装置の小型化、低コスト化を可能にする。
【解決手段】直流電源９０の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路２０と、インバータ回路を構成する半導体スイッチング素子をオンオフ制御するスイッチング制御部６０とを有し、スイッチング制御部６０は、電動機１０からの回生エネルギーを直流電源に回生不可である電源側異常状態であるかを判定する電源側異常判定手段６２と、電源側異常判定手段により電源側異常状態と判定された場合に、インバータ損失と電動機損失を合わせたトータルの総合損失が増加するように半導体スイッチング素子のスイッチング周波数を変更するスイッチング周波数可変手段６３とを備える。
【選択図】図１【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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