(57)【要約】    【課題】同期電動機駆動装置を構成するインバータを介して可変速駆動される同期電動機がストール状態になったときにも好適な同期電動機駆動装置の制御方法を提供する。    【解決手段】同期電動機駆動装置２０を構成する素子損失演算回路２８と素子温度演算回路３０とにより、インバータ１１を構成するＩＧＢＴの接合部温度Ｔｊを求め、同期電動機３がストール状態に陥ったことをストール検出回路３１で検知したときに、前記接合部温度Ｔｊが許容温度を越えないように、電流制限指令回路２１〜２３の何れかによりインバータ１１から同期電動機３への電流をインバータ制御回路２４を介して制限する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期電動機に給電する半導体電力変換回路からなるインバータと、該インバータを介して前記同期電動機を可変速制御する制御装置とからなる同期電動機駆動装置において、
前記同期電動機がストール状態になったときに、前記半導体電力変換回路を構成する自己消弧形素子の内部温度演算値に基づいて電流制限値を演算し、前記インバータから前記同期電動機に流れる電流を前記電流制限値以下にすることを特徴とする同期電動機駆動装置の制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載の同期電動機駆動装置の制御方法において、
前記電流制限値を、前記ストール状態の時間の経過に対応して小さくすることを特徴とする同期電動機駆動装置の制御方法。
【請求項３】
請求項１に記載の同期電動機駆動装置の制御方法において、
前記電流制限値を、前記半導体電力変換回路を冷却する冷却体の熱時定数に基づく時間の経過に対応して小さくすることを特徴とする同期電動機駆動装置の制御方法。
【請求項４】
同期電動機に給電する半導体電力変換回路からなるインバータと、該インバータを介して前記同期電動機を可変速制御する制御装置とからなる同期電動機駆動装置において、
前記同期電動機がストール状態になったときに、前記半導体電力変換回路をＰＷＭ制御するためのキャリア周波数を低減することを特徴とする同期電動機駆動装置の制御方法。
【請求項５】
請求項４に記載の同期電動機駆動装置の制御方法において、
前記キャリア周波数の低減を、直前の前記ＰＷＭ制御の状態に基づいて得られるタイミングで行うことを特徴とする同期電動機駆動装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は同期電動機に給電する半導体電力変換回路からなるインバータと、該インバータを介して前記同期電動機を可変速制御する制御装置とからなる同期電動機駆動装置に関し、特に、前記同期電動機がストール状態、すなわち、同期電動機の回転子が停止状態でもインバータから駆動電流が継続して供給される状態になったときの前記同期電動機駆動装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体電力変換回路からなるインバータを介して可変速駆動される同期電動機がストール状態となる装置の代表的な例として、車両駆動用の同期電動機がある。
【０００３】
図１０は、上述の車両駆動に同期電動機を用いた電気自動車のパワートレインの構成図を示し、この図において、１は蓄電池などからなる主蓄電装置、２は主蓄電装置１からの直流電力をＰＷＭ制御により所望の交流電力に変換し、この交流電力により永久磁石形の同期電動機３を可変速制御する同期電動機駆動装置、４は減速機、５はデファレンシャルギア、６は車輪、７は車両制御装置である。
【０００４】
また図１１は、上述の車両駆動に同期電動機を用いたハイブリット型電気自動車のパワートレインの構成図を示し、この図において、図１０と同一機能を有するものには同一符号を付している。
【０００５】
すなわち、図１１において、１ａは蓄電池などからなる主蓄電装置、２ａは主蓄電装置１ａからの直流電力をＰＷＭ制御により所望の交流電力に変換し、この交流電力により永久磁石形の同期電動機３ａを可変速制御する同期電動機駆動装置、４ａは減速器、５はデファレンシャルギア、６は車輪、７は車両制御装置、８はエンジン、９はエンジン８からの動力と同期電動機３ａからの動力とを図示しない車両の走行状態に応じて結合・分配して減速器４ａに伝達する動力結合・分配器である。
【０００６】
さらに図１２は、図１０に示した同期電動機駆動装置３（または、図１１に示した同期電動機駆動装置３ａ）を構成する半導体電力変換回路からなるインバータ１１とフィルタコンデンサ１２と、同期電動機３の磁極位置を検出するためにその駆動軸に連結された位置センサ１０とを示している。
【０００７】
図１３は、図１２に示したインバータ１１の通常時の動作を説明する波形図であり、図１２に示すように、ＩＧＢＴとダイオードの逆並列回路からなるＵ相から同期電動機３を介して、ＩＧＢＴとダイオードの逆並列回路からなるＹ相とＩＧＢＴとダイオードの逆並列回路からなるＺ相とに電流が流れるときの状態を示し、この状態では正弦波状の同期電動機３のＵ相電流ｉｕに対応し、前記電流ｉｕが正極性のときには前記ＰＷＭ制御に伴ってＵ相のＩＧＢＴとＸ相のダイオードとに交互に流れ、また、前記電流ｉｕが負極性のときには前記ＰＷＭ制御に伴ってＸ相のＩＧＢＴとＵ相のダイオードとに交互に流れる。
【０００８】
図１０に示したパワートレインを構成する電気自動車が坂道発進、縁石乗り上げ時に、同期電動機３がストール状態に陥る恐れがあり、このストール状態での構成機器の損傷、例えば、同期電動機３の焼損を防止するために、下記特許文献などが知られている。
【特許文献１】実開昭５９−１２６５９９号公報  （第４〜５頁、図５など）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図１４は、図１２に示したインバータ１１から給電される同期電動機３がストール状態での動作を説明する波形図であり、図１３と同様に、ＩＧＢＴとダイオードの逆並列回路からなるＵ相から同期電動機３を介して、ＩＧＢＴとダイオードの逆並列回路からなるＹ相とＩＧＢＴとダイオードの逆並列回路からなるＺ相とに電流が流れるときで、例えば、同期電動機３のＵ相電流ｉｕの正極性ピーク値付近で、同期電動機３がストール状態に陥ると、位置センサ１０の回転も停止し、その結果、このＵ相電流ｉｕが前記ＰＷＭ制御を行いつつも、通常時の電流より大きな直流電流Ｉｄｃとなり、このときには前記ＰＷＭ制御に伴って、図示の如く、前記直流電流Ｉｄｃに対応する電流がＵ相のＩＧＢＴとＸ相のダイオードとに交互に流れる。
【００１０】
上述のように、同期電動機３がストール状態に陥り、この状態が続くと、図１５に示すように、ストール状態になった時刻ｔ0 より、Ｕ相のＩＧＢＴの電流が増大し、この増大に伴って前記ＩＧＢＴのスイッチング損失も増大を招き、その結果、前記ＩＧＢＴの接合部温度（Ｔｊ）Ｔｅｍｐ２が時刻ｔ1 でその許容温度Ｔｅｍｐ３を越えると共に、インバータ１１を冷却する図示しない冷却体の温度Ｔｅｍｐ１も上昇する。この状態になったときのＵ相のＩＧＢＴの過熱破損を防止するために、例えば、インバータ１１の動作を停止させる必要があった。
【００１１】
しかしながら、電気自動車にとって、インバータ１１の動作の停止は走行不能を招くので、従来は、同期電動機３がストール状態に陥ったときのインバータ１１の停止動作を回避するために、インバータ１１の出力容量を、通常の走行時の定格容量に対して少なくとも２倍以上に設定することが行われていたが、この対応策では、同期電動機駆動装置２全体が大型化し、高価になるという問題点があった。
【００１２】
この発明の目的は上記問題点を解決し、同期電動機駆動装置を小型、安価にするための該駆動装置の制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この第１の発明は、同期電動機に給電する半導体電力変換回路からなるインバータと、該インバータを介して前記同期電動機を可変速制御する制御装置とからなる同期電動機駆動装置において、
前記同期電動機がストール状態になったときに、前記半導体電力変換回路を構成する自己消弧形素子の内部温度演算値に基づいて電流制限値を演算し、前記インバータから前記同期電動機に流れる電流を前記電流制限値以下にすることを特徴とした制御方法を行う。
【００１４】
第２の発明は、前記第１の発明の同期電動機駆動装置の制御方法において、
前記電流制限値を、前記ストール状態の時間の経過に対応して小さくすることを特徴とする。
【００１５】
第３の発明は、前記第１の発明の同期電動機駆動装置の制御方法において、
前記電流制限値を、前記半導体電力変換回路を冷却する冷却体の熱時定数に基づく時間の経過に対応して小さくすることを特徴とする。
【００１６】
第４の発明は、前記同期電動機駆動装置において、
前記同期電動機がストール状態になったときに、前記半導体電力変換回路をＰＷＭ制御するためのキャリア周波数波を低減することを特徴とした制御方法を行う。
【００１７】
第５の発明は、前記第４の発明の同期電動機駆動装置の制御方法において、
前記キャリア周波数の低減を、直前の前記ＰＷＭ制御の状態に基づいて得られるタイミングで行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
この第１〜第３の発明の同期電動機駆動装置の制御方法によれば、同期電動機のストール状態が継続したときには、前記半導体電力変換回路を構成する自己消弧形素子の内部温度すなわち接合部温度を監視し、この接合部温度が許容値を越えないように、前記素子に流れる電流を制限するので、該素子の過熱破損を防止することができるとともに、前記インバータの運転を継続することができる。
【００１９】
また第４，５の発明の制御方法では、同期電動機のストール状態が継続したときには、前記半導体電力変換回路のＰＷＭ制御のキャリア周波数を低減することにより、該半導体電力変換回路を構成する自己消弧形素子の接合部温度の上昇を抑えるので、該素子の過熱破損を防止することができるとともに、前記インバータの運転を継続することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は、この発明の同期電動機駆動装置の制御方法の第１の実施形態を示す同期電動機駆動装置の回路構成図であり、この図において、図１０〜図１２に示した従来例構成と同一機能を有するものには同一符号を付している。
【００２１】
すなわち図１に示した同期電動機駆動装置２０にはインバータ１１とフィルタコンデンサ１２の他に、後述の電流制限指令回路２１〜２３の何れかと、通常は車両制御回路７からの電流指令に対応したトルクを同期電動機３から発生させるためにインバータ１１から出力する交流電圧をＰＷＭ制御により所望の値に制御するインバータ制御回路２４と、インバータ制御回路２４からのオン・オフ信号をインバータ１１を構成するそれぞれのＩＧＢＴへのゲート信号に変換するスイッチング素子駆動回路２５と、インバータ１１に入力される直流電圧Ｖｄを検出する電圧検出器２６と、インバータ１１から同期電動機３への電流Ｉｍを検出する電流検出器２７と、前記電圧Ｖｄ，電流Ｉｍなどからインバータ１１を構成するＩＧＢＴのスイッチングに伴って発生する損失Ｐｓを後述の式（１）に従って演算する素子損失演算回路２８と、インバータ１１を形成する図示しない冷却体の温度Ｔｆを検出する温度センサ２９と、前記損失Ｐｄ，温度Ｔｆなどから前記ＩＧＢＴの接合部温度Ｔｊを後述の式（２）に従って演算する素子温度演算回路３０と、車両制御装置７から前記電流指令が発せられている状態で位置センサ１０からの同期電動機３の回転情報が無いときには、同期電動機３がストール状態になっていると判定するストール検出回路３１とを備えている。
【００２２】
図１に示した素子損失演算回路２８では、下記式（１）の演算を行っている。
【００２３】
Ｐｓ＝Ｆｓ（ＰON＋ＰOFF）＋ＰSTD    …（１）
ここで、Ｐｓ：発生損失、Ｆｓ：ＰＷＭ制御のキャリア周波数、ＰON：オン時のスイッチング損失、ＰOFF ：オフ時のスイッチング損失、ＰSTD ：オン状態での損失をそれぞれ示す。
【００２４】
すなわち上記式（１）において、Ｆｓは既知数であり、ＰSTD も前記電流Ｉｍ、ＰＷＭ制御の際の通流率などから求めることができる。また、図２の波形図に示すように、ＰONについては、スイッチング時間Ｔｓでの素子電圧ｖと、素子電流ｉとの積であり、この値は前記電圧Ｖｄと電流Ｉｍとから近似的に求めることができる。さらに、ＰOFF についても、ＰONと同様に、前記電圧Ｖｄと電流Ｉｍとから近似的に求めることができる。
【００２５】
図１に示した素子温度演算回路３０では、下記式（２）演算を行っている。
【００２６】
Ｔｊ＝Ｔｆ＋Ｒth・Ｐｓ    …（２）
ここで、Ｔｊ：接合部温度、Ｔｆ；冷却体温度、Ｒth：前記冷却体から接合部までの熱抵抗、Ｐｓ：前記式（１）で示される発生損失である。
【００２７】
上記式（２）の熱抵抗Ｒthについて、図３，図４を参照しつつ、以下に説明する。
【００２８】
図３は、図１に示した同期電動機駆動装置２０を構成するインバータ１１の模式的概念構成図であり、このインバータ１１は冷却体１１ａと、絶縁体１１ｂと、ＩＧＢＴ１１ｃと、ダイオード１１ｄとが図示のように構成され、この図において、「丸１」はＩＧＢＴ１１ｃの内部接合部、「丸２」は絶縁体１１ｂと冷却体１１ａとの接合部、「丸３」は冷却体１１ａと周囲との接合部を示している。すなわち、図３に示した構成は図４に示す熱の等価回路で表され、ここで、Ｒ1 〜Ｒ3 はＩＧＢＴ１１ｃの内部接合部から冷却体１１ａまでの部材の飽和熱抵抗を示し、Ｃ1 〜Ｃ3 は前記部材の熱容量を示している。
【００２９】
図５は、この発明の同期電動機駆動装置の制御方法の第１の実施例として、図１に示した電流制限指令回路２１の動作を説明する波形図である。
【００３０】
すなわち、時刻ｔ0 に同期電動機３がストール状態に陥ると、これをストール検出回路３１が検知し、電流制限指令回路２１へ伝達する。このストール状態の継続に伴って、インバータ１１は先述の図１４の波形図に示した動作状態となり、前記式（１）で示した発生損失Ｐｓが増大し、この増大に伴って前記式（２）で示した接合部温度Ｔｊも増大することから、電流制限指令回路２１では前記接合部温度Ｔｊが許容温度、例えば、１５０°Ｃを越えないような、許容電流値を出力し、この図の例では時刻ｔ2 で車両制御装置からの電流指令値が前記許容値を越えるので、時刻ｔ2 以後は、インバータ制御回路２４が前記許容値に対応したトルクを同期電動機３から発生するようにインバータ１１を介して制御する。なお、このとき、インバータ１１には図４に示した熱の等価回路図のような熱時定数を有するので、このストール状態の継続に伴って、冷却体温度Ｔｆも上昇し、従って、前記許容電流値も減少し、その結果、インバータ１１を構成するＩＧＢＴの接合部温度Ｔｊも前記許容温度１５０°Ｃを越えないようにすることができる。
【００３１】
図６は、この発明の同期電動機駆動装置の制御方法の第２の実施例として、図１に示した電流制限指令回路２２の動作を説明する波形図である。
【００３２】
すなわち、時刻ｔ0 に同期電動機３がストール状態に陥ると、これをストール検出回路３１が検知し、電流制限指令回路２２へ伝達する。このストール状態の継続に伴って、インバータ１１は先述の図１４の波形図に示した動作状態となり、前記式（１）で示した発生損失Ｐｓが増大し、この増大に伴って前記式（２）で示した接合部温度Ｔｊも増大することから、電流制限指令回路２２では前記接合部温度Ｔｊが許容温度、例えば、１５０°Ｃを越えないような、許容電流値を出力する。なお、電流制限指令回路２２ではストール状態の時間の経過に伴って、前記許容電流値を制限する制限率を、図６に示すように増大させることにより、前記許容電流値も減少し、その結果、インバータ１１を構成するＩＧＢＴの接合部温度Ｔｊも前記許容温度１５０°Ｃを越えないようにすることができる。
【００３３】
図７は、この発明の同期電動機駆動装置の制御方法の第３の実施例として、図１に示した電流制限指令回路２３の動作を説明する波形図である。
【００３４】
すなわち、時刻ｔ0 に同期電動機３がストール状態に陥ると、これをストール検出回路３１が検知し、電流制限指令回路２３へ伝達する。このストール状態の継続に伴って、インバータ１１は先述の図１４の波形図に示した動作状態となり、前記式（１）で示した発生損失Ｐｓが増大し、この増大に伴って前記式（２）で示した接合部温度Ｔｊも増大することから、電流制限指令回路２２では前記接合部温度Ｔｊが許容温度、例えば、１５０°Ｃを越えないような、許容電流値を出力する。なお、電流制限指令回路２３ではストール状態の時間の経過に伴って、前記許容電流値を制限する制限率を、先述の図４で示した熱時定数に対応して、図７に示すように増大させることにより、前記許容電流値も減少し、その結果、インバータ１１を構成するＩＧＢＴの接合部温度Ｔｊも前記許容温度１５０°Ｃを越えないようにすることができる。
【００３５】
図８は、同期電動機駆動装置２０において、同期電動機３がストール状態に陥ったときの動作波形図であり、この状態が続くと、ストール状態になった時刻ｔ0 より、インバータ１１を構成するのＩＧＢＴの電流が増大し、この増大に伴って前記ＩＧＢＴのスイッチング損失も増大を招くが、以後は、上述の如く、前記電流指令値を前記電流制限値以下に制限することにより、前記電流や損失の増大も抑制され、従って、前記ＩＧＢＴの接合部温度ＴｊＴｅｍｐ２もその許容温度Ｔｅｍｐ３以下にでき、また、インバータ１１を冷却する図示しない冷却体の温度Ｔｅｍｐ１も上昇も僅かにすることができる。
【００３６】
図９は、この発明の同期電動機駆動装置の制御方法の第２の実施形態を示す同期電動機駆動装置の回路構成図であり、この図において、図１に示した回路構成と同一機能を有するものには同一符号を付している。
【００３７】
すなわち、この同期電動機駆動装置４０には、図１に示した同期電動機駆動装置２０におけるインバータ制御回路２４と素子損失演算回路２８に代えて、インバータ制御回路４１と素子損失演算回路４２とを備えている。
【００３８】
図９に示した同期電動機駆動装置４０では、同期電動機３がストール状態に陥ると、これをストール検出回路３１が検知し、インバータ制御回路４１と素子損失演算回路４２とへ伝達する。このとき、インバータ制御回路４１では前記インバータ制御回路２４の制御機能に追加された機能として、ＰＷＭ制御の際のキャリア周波数を通常値の半分程度に減少させるようにしている。すなわち、このときには、素子損失演算回路４２で行われる前記式（１）の演算の際のＦｓの値も半分になるので、その損失Ｐｓも約半分となり、従って、素子温度演算回路３０での前記式（２）の演算で得られる接合部温度Ｔｊの上昇も軽減され、その結果、インバータ１１を構成するＩＧＢＴの接合部温度Ｔｊも前記許容温度１５０°Ｃを越えないようにすることができる。
【００３９】
図１６は、この発明の同期電動機駆動装置の制御方法の第３の実施形態を示す同期電動機駆動装置の回路構成図であり、この図において、図９に示した回路構成と同一機能を有するものには同一符号を付している。
【００４０】
すなわち、この同期電動機駆動装置５０には、図９に示した同期電動機駆動装置４０におけるインバータ制御回路４１に代えて、インバータ制御回路５１を備えている。
【００４１】
図１７〜１９は、図１６に示した同期電動機駆動装置５０の動作を説明する波形図，フローチャートである。
【００４２】
近年、この種の同期電動機駆動装置では、マイクロコンピュータなどによるデジタル制御技術を用いることが主流となり、インバータ１１をＰＷＭ制御する際の搬送波もアップ／ダウンカウンタから生成し、このアップ／ダウンカウンタにおいてキャリア周波数を変更するときにはそのカウンタ値を変更する方法が用いられる。しかしながら、この搬送波のカウンタ値の変更に伴って、搬送波の振幅も変わることから変調波の振幅も同時に変更する必要がある。
【００４３】
図１７に示した動作波形図では、前記アップ／ダウンカウンタにおける搬送波のカウンタ値の上昇中に、キャリア周波数を低減する変更指令が発せられ、このタイミングで前記カウンタ値と変調波の振幅とを変更している。その結果、ＰＷＭ制御による不必要なスイッチング動作が行われ、電動機電流にも擾乱が発生している。
【００４４】
そこで、図１６に示したインバータ制御回路５１では、図１７に示すフローチャートの如く、キャリア周波数を低減する変更指令が発せられると、先ず、搬送波のカウンタ値を読み込み（ステップＳ１）、このカウンタ値が「０」か否かをチェックし、「０」でなければ（ステップＳ２，分岐Ｎ）、零になるタイミングまで待ち、「０」のときには（ステップＳ２，分岐Ｙ）、前記カウンタ値と変調波の振幅とを変更する処理を行う（ステップＳ３）。
【００４５】
その結果、このインバータ制御回路５１を用いた同期電動機駆動装置５０では、図１８に示す動作波形図の如く、キャリア周波数を低減する変更指令が発せられたときからｔｗ時間経過したときに、搬送波のカウンタ値が「０」となるので、このタイミングで前記カウンタ値と変調波の振幅とを同時に変更している。従って、ＰＷＭ制御による不必要なスイッチング動作が回避され、電動機電流にも擾乱が発生しないので、この同期電動機駆動装置５０の動作信頼性が向上する。
【００４６】
なお、上述の同期電動機駆動装置２０または同期電動機駆動装置４０の回路構成では、電気自動車の例で説明したが、一般産業用の可変速駆動装置にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】この発明の第１の実施形態を示す同期電動機駆動装置の回路構成図
【図２】図１の動作を説明する波形図
【図３】図１の構成を説明する模式的概念構成図
【図４】図３の動作を説明する等価回路図
【図５】この発明の第１の実施例を説明する波形図
【図６】この発明の第２の実施例を説明する波形図
【図７】この発明の第３の実施例を説明する波形図
【図８】図１の動作を説明する波形図
【図９】この発明の第２の実施形態を示す同期電動機駆動装置の回路構成図
【図１０】電気自動車のパワートレインの構成図
【図１１】ハイブリット型電気自動車のパワートレインの構成図
【図１２】図１０の部分詳細回路構成図
【図１３】図１２の動作を説明する波形図
【図１４】図１２の動作を説明する波形図
【図１５】図１０の動作を説明する波形図
【図１６】この発明の第３の実施形態を示す同期電動機駆動装置の回路構成図
【図１７】図１６の動作を説明する波形図
【図１８】図１６の動作を説明するフローチャート
【図１９】図１６の動作を説明する波形図
【符号の説明】
【００４８】
１，１ａ…主蓄電装置、２，２ａ…同期電動機駆動装置、３，３ａ…同期電動機、４，４ａ…減速器、５…デファレンシャルギア、６…車輪、７…車両制御装置、８…エンジン、９…動力結合・分配器、１０…位置センサ、１１…インバータ、１２…フィルタコンデンサ、２０…同期電動機駆動装置、２１〜２３…電流制限指令回路、２４…インバータ制御回路、２５…スイッチング素子駆動回路、２６…電圧検出器、２７…電流検出器、２８…素子損失演算回路、２９…温度センサ、３０…素子温度演算回路、３１…ストール検出回路、４０…同期電動機駆動装置、４１…インバータ制御回路、４２…素子損失演算回路、５０…同期電動機駆動装置、５１…インバータ制御回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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