2019年電気学会産業応用部門大会

3-11

デュアルインバータモータドライブにおける直流バスバッテリー解列時のフェールセーフ動作
大音 慶明＊，Melinda Badriatul Fauziah，野口 季彦 (静岡大学)
Fault Tolerant Operation on Disconnection of DC-Bus Power Source in Dual Inverter Motor Drive
Yoshiaki Oto＊, Melinda Badriatul Fauziah, and Toshihiko Noguchi (Shizuoka University)
The dual inverter motor drive feeding an open-end winding PM motor has been studied for mileage improvement
and autopilot technologies of hybrid and electric vehicles. Fault tolerant functions are required for the autopilot
operations, which can achieve to keep driving the motor even if some failure occurs in the autopilot systems. Theauthors have studied the dual inverter drive system, where the both inverters have a battery and a capacitor inparallel across each DC-bus, and its fault tolerant function of the DC-bus power source. The dual inverter drive
system can achieve ceaseless drive of the motor, even if one of the DC-bus battery power sources is failed, bycontrolling the capacitor voltage of the failure-side inverter constantly with the space vector modulation (SVM). In
this paper, the switching over technique to the fault tolerant function of the DC-bus battery in the dual inverter drive
system is proposed, and the proposed technique is examined through several computer simulations.
キーワード：フェールセーフ動作，デュアルインバータモータドライブ，オープン巻線モータ，キャパシタ電圧制御，空間ベクトル変調

Keywords：fault tolerant operation, dual inverter motor drive, open-end winding motor, capacitor voltage control, space vector
modulation
Capacitor

1. はじめに
近年，ハイブリッド車の燃費向上や自動運転技術に注目

Capacitor

Open-EndWinding Motor

Battery

Battery

300 V

300 Vが集まっている。しかし，現行のハイブリッド車の多くは双方向チョッパによってバッテリー電圧を昇圧し、2 レベル

INV1 (u1, v1, w1)

インバータを動作させ高電圧モータを駆動する構成のた(u2, v2, w2)’INV2(a) Normal condition.

め，システムの効率向上やフェールセーフ動作の点で課題

Capacitorがある。そこで，オープン巻線をもつモータを 2 台のインバータで駆動するデュアルインバータモータドライブが研Battery

究されている (1)-(3) 。デュアルインバータモータドライブで

300 V

Open-EndWinding Motor
Capacitor
150±5 V

Battery
300 V

は，必要なインバータや直流バス電源の数が増える一方で，
INV1 (u1, v1, w1)

2 台のインバータの出力電圧の和をモータ巻線に印加できるので昇圧回路が必要なく，また，マルチレベルの電圧波(u2, v2, w2)’INV2(b) Fault tolerant function of DC-bus battery of INV2.

形を巻線両端に形成できるためシステムの効率向上を期待

Fig. 1.

できる。さらに，片側のインバータのスイッチング素子やdrive.

Circuit configuration of studied dual inverter motor

直流バス電源が故障した場合でも，他方の正常なインバー究されてきたが(4)(5)，直流バス電源の故障に対するフェールタによってモータを継続運転できるのでフェールセーフのセーフ動作の検討はされていない。そこで筆者らは，これ点でも有利である。

までデュアルインバータの片側直流バスバッテリーが解列

これまで，デュアルインバータモータドライブにおけるした際のフェールセーフ動作について検討してきた(7)(8)。本スイッチング素子の故障に対するフェールセーフ動作は研論文では，デュアルインバータモータドライブにおいて片［ III - 177 ］Ⓒ 2019 IEE Japan

2019年電気学会産業応用部門大会

3-11(000)(001)’(-) (110)(001)’(-)(111)(001)’(-)(010)(011)’(-)(100)(101)’(-)(110)(000)’(0)(110)(111)’(0)側直流バスバッテリーが解列したときに，フェールセーフ動作へスムーズに移行する手法を提案する。また，提案法の動作をシミュレーションにより確認したので報告する。

(000)(000)’(0)(000)(111)’(0)(111)(000)’(0)(111)(111)’(0)(001)(001)’(0)(010)(010)’(0)(100)(100)’(0)(011)(011)’(0)(101)(101)’(0)(110)(110)’(0)2. 回路構成
本論文で検討するデュアルインバータモータドライブの回路構成を Fig. 1 (a)に示す。本論文では，Fig. 1 (a)に示すよ
うに左側のインバータを INV1，右側のインバータを INV2

m = 0.5(000)(011)’(-)(111)(011)’(-)(101)(001)’(-)(110)(010)’(-)(100)(000)’(0)(100)(111)’(0)(100)(001)’(-)(110)(011)’(-)(110)(000)’(0) (110)(001)’(-)(110)(111)’(0)(110)(011)’(-)(000)(001)’(-)(100)(101)’(0)(111)(001)’(-)(110)(010)’(0)(110)(110)’(+)(000)(000)’(0)(100)(001)’(-)(000)(111)’(0)(111)(000)’(0) m = 0.25 m = 0.5 m = 0.75(111)(111)’(0)(100)(011)’(-)(000)(011)’(-) (100)(000)’(0)(111)(011)’(-) (100)(111)’(0)(100)(100)’(+)(+): Charging Mode(‐): Discharging Mode(0): Holding Modem = 1.0(100)(011)’(-)と呼び，両インバータの直流バスにはバッテリーとキャパ(a) DC-bus voltage ratio 1:1.

(b) DC-bus voltage ratio 1:0.5.

シタが並列に接続されている。そして，インバータの各レ

Fig. 2.

グは相補的にスイッチングされ，スイッチング状態はdischarging modes and switching states enlarged from 0 to 60（u1,v1,w1）（u2,v2,w2）’と表す。また，本論文では Fig. 1 (b)degree.

Relationship between capacitor charging orに示すように INV2 の直流バスバッテリーが解列した際のSVM 1 Period

フェールセーフ動作を検討する。検討するフェールセーフ

V0V0in回路では，INV2 は解列したバッテリーの代わりにキャパシ

V30(000)(011)’(-)(110)(010)’(-)(100)(000)’(0)タによって動作する。ただし，このときデュアルインバー(111)(011)’(-)(100)(100)’(+)

Hold形を形成しつつ INV2 のキャパシタ電圧を一定に制御する必要がある。

(100)(100)’(+)

DischargeChargeFig. 3.

タの出力電圧の和をモータの巻線両端に印加できる。ここDischarge(+): Charging Mode(-): Discharging Mode(0): Holding Mode

Capacitor Voltage

Capacitor Voltage Command

デュアルインバータモータドライブでは，2 台のインバー・・・(111)(011)’(-)(100)(101)’(+)(100)(111)’(0)タモータドライブは，モータ巻線にマルチレベルの電圧波

V0in(000)(011)’(-)

Simultaneous control of multilevel voltage waveformgeneration and capacitor voltage of failure-side inverter.

で，デュアルインバータが出力可能な電圧ベクトルのうち 0度から 60 度を抜き出したものを Fig. 2 に示す。Fig. 2 に示すようにデュアルインバータモータドライブのスイッチング

VbVbVb|v*|

状態は冗長性をもつので，特定の電圧ベクトルを複数の異VzVzなるスイッチング状態で出力できる。また，冗長なスイッVbVz

Vz

Va

Va

Va

Va

Vdc2 = Vdc1

チング状態毎にキャパシタを流れる電流方向が変化するためキャパシタの充放電を制御できる。ただし，Fig. 2 に示す

Vdc2 = Vdc1/2(a) 0＜m≦0.25.

ように，両インバータの直流バス電圧比が 1 : 1 の場合は，ある電圧ベクトルを出力する冗長なスイッチング状態の中

Vb
Vb’

Vb

Vb

でキャパシタ充電モードと放電モードを冗長に切り換える

Vb

Vb’

|v*|Vb’

Vc

Vz

ことができないため，直流バス電圧比は 1 : 0.5 を採用して

Va

Va’ VaVa’

Va

Vdc2 = Vdc1いる。また，図中には変調率の定義を示しており，本論文

Va’

Va

Vdc2 = Vdc1/2(b) 0.25＜m≦0.5.

では検討するデュアルインバータモータドライブが正常動作時に出力する回転ベクトルの振幅が最大となる場合を変Fig. 4.

Proposed switching over technique to fault tolerant

調率 m = 1.0 と定義している。

operation.

ベクトル変調法（SVM）を採用し，Fig. 3 に示すように特定

3. キャパシタ電圧一定制御法の電圧ベクトルを出力する際，冗長なスイッチング状態の検討するデュアルインバータモータドライブのフェール中から適切にキャパシタを充放電するものを選択すること

セーフ回路では，直流バスバッテリーが解列したインバーで，マルチレベル電圧波形形成とキャパシタ電圧一定制御

タはキャパシタだけで動作するため，そのキャパシタ電圧を両立している。ただし，スイッチング状態とキャパシタを一定に制御しつつモータ巻線にマルチレベルの電圧波形の充放電モードの関係はモータの瞬時力率によっても変化を形成しなければならない。前述のようにデュアルインバするため，モータの瞬時力率を考慮してスイッチング状態ータモータドライブのスイッチング状態には冗長性があるを選択しなければならない(7)。

ので，故障側のインバータのキャパシタ電圧をもう一方の

4. フェールセーフ動作への移行法

正常なインバータのバッテリー電圧の半分に制御すること
で，特定の電圧ベクトルを出力する冗長なスイッチング状検討するデュアルインバータモータドライブは，正常動態の中でキャパシタ充電モードと放電モードを冗長に切り作時はより振幅の大きな電圧ベクトルをモータに出力する換えることができる。したがって，フェールセーフ回路のために 2 台のインバータが直流バス電圧比 1:1 で動作する。

制御にはスイッチングシーケンスを自由に決定可能な空間

一方でフェールセーフ動作では，バッテリーが解列した側［ III - 178 ］Ⓒ 2019 IEE Japan

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3-11のインバータキャパシタ電圧を，他方の正常なインバータのバッテリー電圧の半分に制御する。したがってバッテリ

i d*

ωm*

ー解列後には，モータへの電圧波形形成を継続しつつ故障

＋－PI

T*

1/Ψ

PI

iq* ＋ －＋PIdq↓
αβvq*

sww1

θ v*
θ i*−1

tantan−1まで放電させスムーズにフェールセーフ動作に移行する必

swv1vβ*－側のキャパシタの電圧を非故障側のバッテリー電圧の半分

swu1vα*vd*

SVM

VcapFaultSignal

要がある。

ωm

本論文では，Fig. 4 に示すように 2 通りの変調率(a) 0 ＜m ≦ 0.25，(b) 0.25 ＜ m ≦ 0.5 についてフェールセーフid動作への移行法を検討する。デュアルインバータモータド

iqFig. 5.

ライブが変調率 0 ＜ m ≦ 0.25 で駆動時にフェールセーiu
INV1ivPMMotor
swu2
swv2
INV2
sww2

1
siααβ↓
dqiβuvw↓αβControl brock diagram.

フ動作に移行する場合は，振幅がゼロのゼロベクトル VzTable 1.と INV2 のキャパシタ電圧によって振幅が変化する電圧ベComputer simulation conditions.

Switching frequency

クトル Va，Vb を用いて SVM することでフェールセーフ動

10 kHz作に移行することができる。また，変調率 0.25 ＜ m ≦ 0.5

Voltage of battery

300 V

ではゼロベクトル Vz を用いず，キャパシタ電圧によってVoltage command of capacitor (INV2)

150±5 V

振幅が変化する電圧ベクトル Va，Va’，Vb，Vb’と振幅とCapacitance of capacitor (INV2)

330 µF

位相が変化する電圧ベクトル Vc を用いて SVM を行う。こMotor speed command value

1150, 2300 r/minのように SVM に用いる電圧ベクトルを選択することで，Dead time

0 µs

マルチレベルの電圧波形形成をしつつキャパシタ電圧を

Number of poles8

目標値まで放電しスムーズにフェールセーフ動作に移行

Number of flux linkage

0.174 WbMotor

Moment of inertia

0.00173 kgm2

parameters

Damping coefficient

0.005 N/rad/s

Phase resistance

1.1 Ω

Phase inductance

5 mHできる。

5. シミュレーション条件

U-Phase Voltage Capacitor Voltage
Vu (V)
Vcap (V)

Fault Signal

Motor Rotation Speed(r/min)

提案法によってデュアルインバータモータドライブを正
2500
2000
1500
1000

wm_rpmwm_rpm_ref

500
010320
300
280
260
240
220
200
180
160
140
300
200
100
0-100-200-300

050

100

150

200

250

300

Time (ms)U-Phase Voltage Capacitor Voltage
Vu (V)
Vcap (V)

Fault Signal

Motor Rotation Speed(r/min)(a) m = 0.2 (1150 r/min).
2500
2000
1500
1000
wm_rpmwm_rpm_r ef

500010320300
280260240220200180160140300
200
1000-100-200-3000255075100125150

Time (ms)(b) m = 0.4 (2300 r/min).

Fig. 6.

Simulation results.

［ III - 179 ］Ⓒ 2019 IEE Japaniw2019年電気学会産業応用部門大会

3-11

常動作からフェールセーフ動作に移行させるシミュレーシ法を提案した。また，提案法をシミュレーションした結果，ョンを行った。制御ブロック図を Fig. 5，シミュレーション

直流バスバッテリーが解列後，提案法によってモータに電条件を Table 1 に示す。シミュレーションでは，オープン巻圧波形を形成しつつキャパシタ電圧を目標値まで放電し，線をもつモータをモデル化したものをデュアルインバータ

フェールセーフ動作にスムーズに移行できることを確認しモータドライブによって速度制御および電流制御する。正た。今後は，デュアルインバータの直流バスバッテリー解常動作時は両インバータは 300 V のバッテリーによって駆列時のフェールセーフ動作への移行を実機検証する予定で動されている。そして，INV2 の直流バスバッテリー解列信ある。

号 Fault Signal を検出後，INV2 は解列したバッテリーの代わりにキャパシタで駆動し，キャパシタ電圧が INV1 のバッテリー電圧の半分の 150 V になるまで提案法によって放電する。キャパシタ電圧を 150 V まで放電した後は，キャパシタの充放電を制御することでキャパシタ電圧を一定に制御する。このとき，モータの瞬時力率は dq 座標上の電圧ベクトルと電流ベクトルの位相差から計算し，INV2 のキャパシタ電圧のフィードバック値とともに SVM に用い，モータへの電圧波形形成とキャパシタ電圧一定制御を同時に行う。

6. シミュレーション結果
変調率 m = 0.2 および m = 0.4 の条件でシミュレーションを行った結果を Fig. 6 (a) と (b) にそれぞれ示す。両図ともに，上からモータ回転数，INV2 のバッテリー解列信号，キャパシタ電圧，U 相巻線両端電圧を表しており，正常運転時はデュアルインバータモータドライブによってモータの巻線両端に 5 レベルの電圧波形が形成される。フェールセーフ動作時には，m = 0.2 の場合は 5 レベル，m = 0.4 の場合は 9 レベルの電圧波形がモータ巻線に形成される。また，フェールセーフ動作への移行期間は，Fig. 4 (a) に示したように，m = 0.2 のときは INV2 のキャパシタ電圧によって振幅が変化する電圧ベクトルとゼロベクトルを使用して INV2

文献(１) K. Mitsudome, H. Haga, and S. Kondo, “Improvement of Output Voltage
Waveform in Dual Inverter Having a Different DC Power Supply,” IEEJTechnical Meeting on Rotating Machinery, Semiconductor PowerConverter and Motor Drive, 2015, pp. 77-82.
(２) H. Machiya, H. Haga, and S. Kondo, “High Efficiency Drive Method of anOpen-Winding Induction Machine Driven by Dual Inverter using
Capacitor Across DC Bus,” IEEJ Transactions on Industry Applications,vol. 135, no. 1, 2015, pp. 10-18.
(３) A. Mizukoshi, and H. Haga, “Control Method of Open-Winding Induction
Machine for Improvement of Output Voltage at Low-Modulation Ratio,”
IEEJ Industry Applications Society Conference, 2017, 257-260.
(４) K. K. Nallamekala, and K. Sivakumar, “A Fault-Tolerant DualThree-Level Inverter Configuration for Multipole Induction Motor Drive
With Reduced Torque Ripple,” IEEE Transactions on IndustrialElectronics, vol. 63, no. 3, 2016, pp. 1450-1457.
(５) W. Zhao, B. Wu, Q. Chen, and J. Zhu, “Fault-Tolerant Direct Thrust ForceControl for a Dual Inverter Fed Open-End Winding Linear Vernier
Permanent-Magnet Motor Using Improved SVPWM,” IEEE Transactions
on Industrial Electronics, vol. 65, no. 9, 2018, pp. 7458-7467.
(６) Y. Oto, T. Noguchi, T. Sasaya, T. Yamada, and R. Kazaoka, “Space Vector
Modulation of Dual Inverter System Focusing on Improvement ofMultilevel Voltage Waveforms,” IEEE Transactions on IndustrialElectronics, Early Access.
(７) Y. Ohto, T. Noguchi, and T. Sasaya, “Space Vector Modulation of Dual
Inverter Taking Power Factor of Open-End Winding Motor,” IEEJ Annual
National Conference, 2016, 71-72.のキャパシタを INV1 のバッテリー電圧の半分まで放電するため，Fig. 6 (a) に示したように U 相巻線両端電圧の振幅が徐々に小さくなる。一方で，Fig. 4 (b) に示したように，
m = 0.4 のときは INV2 のキャパシタ電圧によって振幅と位相が変化する電圧ベクトルを使用して INV2 のキャパシタ電圧を INV1 のバッテリー電圧の半分まで放電する。Fig. 6を見ると，どちらの変調率においても，提案法によってモータの巻線両端にマルチレベル電圧波形を形成しつつキャパシタ電圧を目標値まで放電し，スムーズにフェールセーフ動作に移行できていることがわかる。

7. まとめ
本論文では，それぞれの直流バスにバッテリーとキャパシタをもつデュアルインバータモータドライブにおいて，片側の直流バスバッテリーが解列した場合のフェールセーフ動作を検討した。フェールセーフ回路では，故障側のインバータは解列したバッテリーの代わりにキャパシタで動作する。また，このとき故障側のインバータのキャパシタ電圧は他方の正常なインバータのバッテリー電圧の半分に制御する必要がある。本論文では，片側直流バスバッテリーの解列からフェールセーフ動作へスムーズに移行する手［ III - 180 ］Ⓒ 2019 IEE Japan