(57)【要約】【課題】モータとその駆動回路を備えたモータ駆動システムにおいて、モータに生じる誘起電圧により駆動回路が破壊されることを防ぐ。【解決手段】駆動回路の破壊耐量に基づいてモータの回転数の上限を設定し、この上限を超えないようにモータ回転を制御する。一般にモータの無負荷誘起電圧は温度特性をもち、また、駆動回路の素子の破壊耐量も温度特性をもつ。そこで、回転数の上限の設定はこれらの温度特性を考慮して行うこととする。例えば、モータの無負荷誘起電圧（６２）が素子の耐圧（６０）を上回る温度ｔ1 以下においては、通常の最大回転数Ｎ0を許さず、上限の回転数Ｎ1 を設定して、これを超えないように制御を行う。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータと、
このモータに対し電力を供給し、モータを回転駆動させる駆動回路と、
を有するモータ駆動システムにおいて、
前記駆動回路は、モータ回転に伴う誘起電圧により当該駆動回路に破壊耐量を超えた電気的負荷が加えられることを防止するように駆動時にモータの回転数を制御する制御手段を備える、ことを特徴とするモータ駆動システム。
【請求項２】
請求項１に記載のモータ駆動システムにおいて、
前記制御手段は、前記破壊耐量相当の電気的負荷を与えるモータの回転数に基づいてモータの回転数の上限値を設定し、この上限値を超えないように前記モータの回転数を制御する、ことを特徴と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において、
前記制御手段は、
使用環境温度を取得する温度取得手段を備え、
取得した前記使用環境温度に応じて前記上限値を設定する、ことを特徴とするモータ駆動システム。
【請求項４】
請求項３に記載のモータ駆動システムにおいて、
前記制御手段は、
前記上限値として用いる異なる二つの値を有し、
使用環境温度が所定値よりも低い場合には小さな値を上限値として設定し、
使用環境温度が所定値よりも高い場合には大きな値を上限値として設定する、ことを特徴とするモータ駆動システム。
【請求項５】
請求項１に記載のモータ駆動システムにおいて、
前記制御手段は、前記モータが力学的負荷を有しない場合に前記駆動回路に加えられる電気的負荷に基づいて、前記回転数を制御する、ことを特徴とするモータ駆動システム。
【請求項６】
請求項１に記載のモータ駆動システムにおいて、
前記駆動回路は、インバータ素子を利用して直流電力を交流電力に変換するインバータ回路を備え、
前記破壊耐量は、インバータ素子の耐圧に基づいて定められる、ことを特徴とするモータ駆動システム。
【請求項７】
請求項１に記載のモータ駆動システムにおいて、
前記駆動回路は、電力を安定化させるコンデンサを備え、
前記破壊耐量は、前記コンデンサの耐圧に基づいて定められる、ことを特徴とするモータ駆動システム。
【請求項８】
請求項１に記載のモータ駆動システムにおいて、
前記電気的負荷は、前記誘起電圧に起因して当該駆動回路に印加される電圧に基づいて定められる、ことを特徴とするモータ駆動システム。
【請求項９】
モータと、
このモータに対し電力を供給し、モータを回転駆動させる駆動回路と、
を含むモータ駆動システムを備え、このモータ駆動システムにより駆動される電気自動車であって、
前記駆動回路は、モータ回転に伴う誘起電圧により当該駆動回路に破壊耐量を超えた電気的負荷が加えられることを防止するように駆動時に当該電気自動車の速度を制御する制御手段を備える、ことを特徴とする電気自動車。
【請求項１０】
請求項３または４に記載のモータ駆動システムを備え、このモータ駆動システムにより駆動される電気自動車であって、
前記温度取得手段が取得する使用環境温度には、前記モータの温度、前記駆動回路の温度、前記変換回路の冷却水温、または、外気温の少なくとも一つが含まれる、ことを特徴とする電気自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ及び駆動回路を含むモータ駆動システム、特に、その駆動制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
モータ駆動システムにおいては、駆動回路から供給された電力により、モータが回転駆動される。その一方で、モータ、例えば永久磁石型交流同期モータは、回転にともない各端子間に誘起電圧が発生し、起電力の大きさはモータの回転数に比例するという特徴をもつ。このため、高回転するモータに生じる起電力により、駆動回路を破壊する恐れがある。
【０００３】
下記特許文献１の電気自動車では、モータのキースイッチをＯＦＦにした状態で高速走行している場合には、素子の耐圧を考慮した一定条件の下ではキースイッチをＯＮにしてもモータを再起動できないとする制御を行っている。
【０００４】
また、下記特許文献２には、モータに電力を供給するインバータ等が、電力供給時の加熱により破壊されることを防ぐ手段が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１４５９０４号公報
【特許文献２】特開平１０−２１０７９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
起電力による駆動回路の破壊を防止する必要性は、上記特許文献１の場合に限らない。例えば、駆動回路がインバータを含むような場合には、高回転数で運転中に駆動回路におけるインバータ制御が失われる（シャットダウン）と、インバータ内の素子やコンデンサは耐圧を超えて印加された誘起電圧により破壊されてしまうことがあり得る。
【０００７】
また、永久磁石は温度特性を持つため、永久磁石型交流同期モータには、低温ほど誘起電圧が大きくなる特性がある。さらに、インバータ素子やコンデンサにも温度特性があり、温度に応じて適切な破壊防止の制御を行うことが好ましい。特に、モータ駆動システムが電気自動車に搭載されているような場合には、摂氏−４０度程度の極低温下で利用される可能性があり温度特性への対処の必要性は大きい。
【０００８】
本発明の目的は、駆動回路の破壊を防止するモータ駆動を行うことになる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明のモータ駆動システムは、モータと、このモータに対し電力を供給し、モータを回転駆動させる駆動回路と、を有するモータ駆動システムにおいて、前記駆動回路は、モータ回転に伴う誘起電圧により当該駆動回路に破壊耐量を超えた電気的負荷が加えられることを防止するように駆動時にモータの回転数を制御する制御手段を備える。
【００１０】
このモータ駆動システムは、モータ及び駆動回路からなる。モータには回転数の上昇につれて高い誘起電圧を生じる。そのため、この誘起電圧により駆動回路に与えられる電気的負荷が、駆動回路の破壊耐量を超えないように、モータの回転数を制御する。これにより、駆動回路が電気的負荷により破壊されることを防止することができる。
【００１１】
モータの種類は特に限定されるものではなく、誘起電圧を発生するモータであればよい。すなわち、直流モータであっても交流モータであってもよく、誘導モータや同期モータの別も問わない。また駆動回路の種類も特に限定されるものではなく、インバータ回路やチョッパ回路など対応するモータの回転駆動を行うものであればよい。制御手段は、この駆動回路において駆動する回転数を制御するものである。制御は誘起電圧による電気的負荷が破壊耐量を超えないように行う。破壊耐量は、回路の素子などが破壊されないことが保証される限界量である。破壊耐量は、回路の素子特性やその素子配置などによって決まるものであり、一般に電圧（耐圧と呼ぶ）、電流、電力などを用いて定められる。
【００１２】
制御においては、他の保護手段との併用も可能である。併用する他の保護手段の例としては、緊急時に当該駆動回路を保護するために設けた保護回路や、緊急時に当該駆動回路を保護するために物理的負荷を加える手段などを挙げることができる。この場合には、保護手段の存在によって当該駆動回路に加えられる電気的負荷が減少することを利用し、保護手段がない場合よりも高い回転数による制御が可能となる。
【００１３】
望ましくは本発明のモータ駆動システムにおいて、前記制御手段は、前記破壊耐量相当の電気的負荷を与えるモータの回転数に基づいてモータの回転数の上限値を設定し、この上限値を超えないように前記モータの回転数を制御する。この構成によれば、制御は回転数に上限値を設けることで行われる。上限値は破壊耐量に対応した電気的負荷を与える回転数に基づいて決められる。したがって、回転数をこの上限値以下に抑えることで、電気的負荷を破壊耐量以下に抑えることが可能となる。
【００１４】
望ましくは本発明のモータ駆動システムにおいて、前記制御手段は、使用環境温度を取得する温度取得手段を備え、取得した前記使用環境温度に応じて前記上限値を設定する。使用環境温度は、このモータ駆動システムを使用する温度である。モータや駆動回路は一般に温度特性をもつため、これらを使用する温度を把握することで、的確な制御を行うことができる。したがって、使用環境温度としては、外気温、モータ温度、駆動回路温度、などを用い、その温度とモータや駆動回路の温度特性とを対応づけておくことが好ましい。使用環境温度として、複数箇所の温度を用いることができる。使用環境温度と上限値との対応づけは、実験結果等に基づいて、関係式を定義したり、ルックアップテーブルを作成したりすることにより行うことができる。上限値は、使用環境温度に応じて無限段階に定義しても、複数段階に定義してもよい。なお、温度取得手段は、モータ駆動システム自体が温度センサを備えることにより構成されてもよいが、外部の温度センサの取得情報を受信するように構成されていてもよい。
【００１５】
望ましくは本発明のモータ駆動システムにおいて、前記制御手段は、前記上限値として用いる異なる二つの値を有し、使用環境温度が所定値よりも低い場合には小さな値を上限値として設定し、使用環境温度が所定値よりも高い場合には大きな値を上限値として設定する。この構成は、一般に、モータに生じる誘起電圧は低温になるほど高くなることを利用するものであり、これにより、制御性が向上する。
【００１６】
望ましくは本発明のモータ駆動システムにおいて、前記制御手段は、前記モータが力学的負荷を有しない場合に前記駆動回路に加えられる電気的負荷に基づいて、前記回転数を制御する。モータが力学的負荷を有しない場合とは、モータの軸に負荷トルクが与えられない無負荷状態を指す。誘起電圧は無負荷状態において最も大きくなる。したがって、この時の誘起電圧（無負荷誘起電圧）に基づいて回転数の制御を行えば、負荷トルクの大きさにかかわらず、常に当該駆動回路に破壊耐量を超えた電気的負荷が加えられることを防止することができる。
【００１７】
望ましくは本発明のモータ駆動システムにおいて、前記駆動回路は、インバータ素子を利用して直流電力を交流電力に変換するインバータ回路を備え、前記破壊耐量は、インバータ素子の耐圧に基づいて定められる。すなわち、駆動回路はインバータ回路を備え、インバータ回路はスイッチング素子やダイオードなどからなるインバータ素子を含んでいる。このため、インバータ回路に誘起電圧にともなう電気的負荷が加えられた場合にインバータ回路が破壊されないように、含まれるインバータ素子の破壊耐量、特に、インバータ素子の耐圧に基づいて駆動回路における破壊耐量を定めることができる。
【００１８】
望ましくは本発明のモータ駆動システムにおいて、前記駆動回路は、電力を安定化させるコンデンサを備え、前記破壊耐量は、前記コンデンサの耐圧に基づいて定められる。駆動回路においては、コンデンサを用いることで、電圧の平滑化等を行なって、電力量を安定化させる場合がある。このコンデンサが誘起電圧にともなう電気的負荷によって破壊に至ることを防ぐように、コンデンサの破壊耐量、特にコンデンサの耐圧に基づいて駆動回路における破壊耐量を定めることができる。
【００１９】
望ましくは本発明のモータ駆動システムにおいて、前記電気的負荷は、前記誘起電圧により当該駆動回路に印加される電圧に基づいて定められる。特にこの電圧が、インバータ素子やコンデンサに直接的に加えられる場合には、インバータ素子やコンデンサの耐圧を与えるこの電圧の大きさに基づいて回転数の上限値等の制御内容を容易に定めることができる。
【００２０】
本発明の電気自動車は、モータと、このモータに対し電力を供給し、モータを回転駆動させる駆動回路と、を含むモータ駆動システムを備え、このモータ駆動システムにより駆動される電気自動車であって、前記駆動回路は、モータ回転に伴う誘起電圧に起因して当該駆動回路に破壊耐量を超えた電気的負荷が加えられることを防止するように駆動時に当該電気自動車の速度またはモータの回転数を制御する制御手段を備える。
【００２１】
電気自動車とは、モータ駆動システムを原動機として備えた自動車であり、内燃機関を原動機として併用するハイブリッド型であってもよい。電気自動車においては、一般に、駆動時におけるモータの回転数は電気自動車の速度と対応している。特にモータの回転数と車速の対応関係が一対一であれば、駆動時におけるモータの回転数の制御と、駆動時における車速の制御とは同じ内容を意味する。ただし、両者が対応しない場合もあり得る。具体例としては、ハイブリッド型の電気自動車において駆動時に内燃機関のみを使用する場合や、モータ駆動システムからの動力伝達系においてギアシステムを採用したりするような場合を挙げることができる。このような場合に、電気自動車の車速がモータに伝えられ、モータで発生した誘起電圧が駆動回路に伝えられることが考えられる。そこで、モータの回転数の制御ではなく、車速の制御を行うことで、当該駆動回路に破壊耐量を超えた電気的負荷が加えられることを防止することが可能となる。
【００２２】
なお、電気自動車が下り坂を走行する場合などには、電力を供給して駆動したモータ回転数よりも、実際のモータの回転数の方が高くなる場合があり得る。この場合には、例えば、過剰な回転エネルギをブレーキ等の力学的負荷により熱として消化したり、適当な電気回路を用いて電気エネルギへ変換したりするなどして、モータの回転数（あるいは車速）を破壊耐量に相当する値にまで下げる制御を行ってもよい。
【００２３】
望ましくは本発明の電気自動車においては、温度取得手段を備えることができ、この場合に、前記温度取得手段が取得する使用環境温度には、前記モータの温度、前記駆動回路の温度、前記変換回路の冷却水温、または、外気温の少なくとも一つが含まれていてもよい。電気自動車は、寒冷地を含む様々な温度環境で使用されるため、温度特性に基づいた制御を行えるように適切な使用環境温度を取得することが望ましい。これにより、電気自動車におけるモータ駆動系の信頼性を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００２５】
図１は、本実施の形態に係るモータ駆動システム１０の構成概略図である。この例では、モータ駆動システム１０は電気自動車の原動機として用いられており、電気自動車に搭載された直流電源１２に電気的に接続されている。また、モータ駆動システム１０は駆動回路１４とモータ１６を含んでいる。
【００２６】
駆動回路１４は、入力端子間に備えられ入力電力を安定化させるコンデンサ１７と、入力電力を交流に変換するインバータ１８を含んでいる。インバータ１８はスイッチング素子等のインバータ素子を有しており、スイッチング素子のオンオフのスイッチングを行って互いに１２０度づつ位相がずれた三相の交流電流を出力し、モータ１６を駆動する。インバータ１８におけるこのスイッチングは、駆動回路１４を構成する制御ユニット２０の指令信号に従って行われる。制御ユニット２０は、ユーザが操作部２２を通じて与える指令信号や、モータ１６の温度を測定する温度センサ２４からの温度情報信号、モータ１６の回転数を測定する回転数センサ２６からの回転数情報信号などに基づいて、インバータ１８の周波数などを制御する。モータ１６を駆動する回転数は、出力する電力の周波数と対応しており、これにモータ１６の回転を制御することができる。この回転制御においては、制御ユニット２０は、モータ１６の回転数に上限値を設定し、その上限値を超えないように制御することができる。上限値は、温度センサ２４から送られる温度に応じて少なくとも複数段階、あるいは無限段階に設定することができる。上限値の具体的な定め方については後述する。なお、操作部２２は、例えば、電気自動車に設けられたアクセルや、アクセルから入力された情報を指令信号に変換する演算部などによって構成される。
【００２７】
モータ１６としては、三相の交流電流によって駆動される永久磁石型の同期モータを用いている。すなわち、永久磁石を配置した回転子を、固定子のコイルに通電した三相の交流電力で作る回転磁場によって回転させることでモータ１６は回転トルク（回転の運動エネルギ）を生成する。この回転トルクは、ドライブシャフトなどの動力伝達経路を通じて車輪に伝えられ、電気自動車を駆動する。
【００２８】
モータ駆動システム１０は、逆に、電気自動車のもつ運動エネルギから電気エネルギ（電力）を生成し、直流電源１２に回生可能な構成をとることができる。例えば、インバータ１８のスイッチング素子のオンオフを同様に制御ユニット２０によって制御し、回生可能に構成することが可能である。その態様は周知であるため、ここでは、説明を省略する。
【００２９】
電気自動車の駆動時には、モータ駆動システム１０は、直流電源１２からの電力をインバータ１８で交流電力に変換してモータ１６を回転駆動する。このとき、モータ１６では、回転数に比例した誘起電圧が発生する。そのため、例えば、駆動中にインバータ制御を失うシャットダウンが発生した場合、この誘起電圧がインバータ１８に印加され、インバータ１８内のインバータ素子が破壊されてしまうことがあり得る。
【００３０】
この破壊の可能性は、モータ駆動システム１０が置かれた温度環境に依存する。今の場合、モータ１６（永久磁石型交流同期モータ）の永久磁石の温度特性に起因して低温ほど誘起電圧が上昇するため、低温時にインバータ素子の耐圧を超える恐れが高まる。また、インバータ素子の耐圧も一般に温度特性を有しており、例えば、スイッチング素子として用いられるＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）は低温ほど耐圧が小さくなる。以下では、駆動回路１４を誘起電圧に基づく電気的負荷から守るため、温度特性に応じて、制御ユニット２０に上限値を設定する様子を図２から図４を用いて詳しく説明する。
【００３１】
図２は、モータ１６の温度特性、及び、ＩＧＢＴの耐圧の温度特性を考慮した場合における制御ユニット２０の上限値設定を説明する図である。上側の図（ａ）は、横軸が温度であり、縦軸は電圧である。そして、曲線は、ＩＧＢＴの温度特性曲線５０と、モータ１６の最高回転数における無負荷誘起電圧の温度特性曲線５２である。温度特性曲線５０は、説明の簡単のため直線近似されており、ＩＧＢＴが低温のときほど耐圧が小さいことを示している。また、温度特性曲線５２は、やはり説明の簡単のため直線近似されており、モータ１６通常の最高回転数Ｎ0においてモータ１６に生じる無負荷誘起電圧が低温の場合ほど高いことを表している。しかし、この図２（ａ）においては、想定する最低温度である摂氏−４０度においても、無負荷誘起電圧は耐圧を下回っている。したがって、最高回転数Ｎ0で回転しているときにインバータ１８にシャットダウンが起こっても、ＩＧＢＴが破壊されることはない。それゆえ、制御ユニット２０は、駆動回路１４を保護するためにモータ１６の回転数に上限値を設ける必要はない。
【００３２】
図２の下側の図（ｂ）は、横軸は（ａ）と同じ温度であり、縦軸はモータの回転数を表している。曲線５４は、モータ１６の最高回転数は、全ての温度において、モータ１６の温度特性曲線５２に対応した最高回転数Ｎ0を取りうることを示している。
【００３３】
図３は、図２と同様の図である。ただし、図３（ａ）とは、ＩＧＢＴの温度特性が異なり、全体的に低電圧側に平行移動した温度特性曲線６０を描く場合について示している。モータ１６の最高回転数Ｎ0における無負荷誘起電圧の温度特性曲線６２は図２（ａ）の温度特性曲線５２と同じである。このため、両者は温度ｔ1において交差しており、温度特性曲線６２は温度ｔ1よりも低温側の破線部６２ａにおいてＩＧＢＴの温度特性曲線６０より高い電圧を示している。このことは、温度ｔ1よりも低温側にある環境下においてモータ１６の回転数が最高回転数付近にある場合にインバータ１８にシャットダウンが起こると、モータ１６が無負荷状態に近い場合には誘起電圧がＩＧＢＴの耐圧を上回りＩＧＢＴの破壊に至り得ることを示している。
【００３４】
破壊の発生はモータ駆動システム１０にとって好ましくなく、特に移動手段たる電気自動車等においては、その不都合は大きい。そこで、温度ｔ1以下の場合には、制御ユニット２０によって最高回転数に制限を掛けることが有効である。図３（ａ）における曲線６４は、想定する最低温度摂氏−４０度においてＩＧＢＴの温度特性曲線６０と一致させ、この時の誘起電圧に対応する回転数Ｎ1で運転させた場合の無負荷誘起電圧を各温度について示したものである。温度ｔ1以下の場合には、モータ１６の回転数Ｎ1を上限とすることで、モータ１６に発生しうる無負荷誘起電圧は曲線６４の実線部６４ａ以下となる。この実線部６４ａはＩＧＢＴの温度特性曲線６０も常に下回っているため、誘起電圧によってＩＧＢＴが破壊されることはない。
【００３５】
図３（ｂ）は、各温度においてモータ１６が取りうる最高回転数を示している。温度ｔ1以上の場合には、直線６６で示したように図２（ｂ）と同じく最高回転数はＮ0である。そして、温度ｔ1以下の場合には、直線６８で示したように最高回転数はＮ1である。
【００３６】
図４は、ＩＧＢＴの温度特性が図３と同じ場合について、緻密な温度制御を行う例について示している。図４（ａ）における、ＩＧＢＴの耐圧の温度特性曲線７０は、図３（ａ）の温度特性曲線６０と同じである。また、モータ１６の最高回転数Ｎ0における無負荷誘起電圧の温度特性曲線７２は図３（ａ）の温度特性曲線６２と同じである。したがって、両者は温度ｔ1において交差している。ここでは、温度ｔ1以下においては、各温度におけるＩＧＢＴの耐圧に相当する回転数を上限値とする制御を行うことにする。図３（ｂ）は、この方針に従って回転数の上限を定めたものである。温度ｔ1以上において、回転数Ｎ0を最高回転数としている点は他の場合と同様である。しかし、温度ｔ1以下から想定する最低温度摂氏−４０度においては、図３（ａ）に示したＩＧＢＴの温度特性曲線７０上の各点７４、７６、７８、８０に対応して、図３（ｂ）の各点７４ａ、７６ａ、７８ａ、８０ａでの回転数の上限値が決められている。すなわち、温度ｔ1以下の各温度では、ＩＧＢＴの耐圧を超えないとの制約のもとで定められる最高回転数を制御の上限値としている。こうすることにより、モータ１６の出力性能を最大限に引き出すことができる。なお、図３（ｂ）の各点７４ａ、７６ａ、７８ａ、８０ａを上回らない範囲、すなわち、ＩＧＢＴの耐圧を超えない範囲で、複数段階のステップ関数や直線等の適当な関数形で、回転数の上限値を定めることももちろん可能である。
【００３７】
以上においては、インバータ１８のＩＧＢＴの耐圧だけを考慮したが、コンデンサ１７の耐圧や、他の回路の破壊耐量についても同様に考えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】モータ駆動システムの構成例を示す概略図である。
【図２】（ａ）各温度での素子やモータの電圧特性と、（ｂ）対応するモータ回転数の上限値を示す図である。
【図３】図２と同様だが、異なる素子特性に対する例を示す図である。
【図４】図３と同様だが、別の上限値設定を行う例を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  モータ駆動システム、１２  直流電源、１４  駆動回路、１６  モータ、１７  コンデンサ、１８  インバータ、２０  制御ユニット、２２  操作部、２４  温度センサ、２６  回転数センサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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