JP2005151664A - スイッチト・リラクタンス・モーター駆動制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 直流電源を短絡させる故障を検出して故障部位の拡大を防止する。
【解決手段】 インバーター2の各相のスイッチング素子2a〜2fに対して複数のスイッチングパターンにしたがってスイッチングを行い、電流検出器4a〜4cより検出された巻線電流と電圧検出器5cにより検出された直流電源電圧変化率とに基づいて、インバーター2およびSRM1a〜1cの故障の部位と故障の原因とを診断する際に、電流検出器4a〜4cより検出された巻線電流、もしくは電圧検出器5cにより検出された直流電源電圧変化率の内のいずれか一方または両方の値に基づいて直流電源3を短絡させる故障の発生を判定し、故障発生判定時には直ちにスイッチング素子2a〜2fをオフする。
【選択図】 図1
【解決手段】 インバーター2の各相のスイッチング素子2a〜2fに対して複数のスイッチングパターンにしたがってスイッチングを行い、電流検出器4a〜4cより検出された巻線電流と電圧検出器5cにより検出された直流電源電圧変化率とに基づいて、インバーター2およびSRM1a〜1cの故障の部位と故障の原因とを診断する際に、電流検出器4a〜4cより検出された巻線電流、もしくは電圧検出器5cにより検出された直流電源電圧変化率の内のいずれか一方または両方の値に基づいて直流電源3を短絡させる故障の発生を判定し、故障発生判定時には直ちにスイッチング素子2a〜2fをオフする。
【選択図】 図1
Description
本発明はスイッチト・リラクタンス・モーター(以下、SRMという)の駆動制御装置に関し、特に、モーターおよび装置の故障診断方法に関する。
ピークホールド回路によりSRMの固定子巻線に流れるコイル電流のピーク値Ip1〜Ip3を検出し、いずれかのコイル電流ピーク値が他のコイル電流ピーク値に比べて異常な値であればモーター駆動制御装置の故障と判定するようにしたSRMの駆動制御装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
この出願の発明に関連する先行技術文献としては次のものがある。
特開2002−010681号公報
しかしながら、従来のSRM駆動制御装置では、単にSRMの固定子巻線に流れるコイル電流のピーク値を検出して比較しているだけであるから、SRM駆動制御装置の中のどの部位が故障しているのか、またどのうような故障の原因なのかを特定できず、故障診断に時間がかかり、装置の動作を継続して故障していない部位にダメージを与えてしまうという問題がある。
インバーターの各相のスイッチング素子に対して複数のスイッチングパターンにしたがってスイッチングを行い、電流検出器より検出された巻線電流と電圧検出器により検出された直流電源電圧変化率とに基づいて、インバーターおよびSRMの故障の部位と故障の原因とを診断する際に、電流検出器より検出された巻線電流と電圧検出器により検出された直流電源電圧変化率とに基づいて直流電源を短絡させる故障の発生を判定し、故障発生判定時には直ちにスイッチング素子をオフする。
本発明によれば、直流電源を短絡させる故障を検出でき、故障部位の拡大を防止できる。
図1は第1の実施の形態の構成を示す。第1の実施の形態のSRM駆動制御装置は、三相巻線のスイッチト・リラクタンス・モーター(SRM)の固定子巻線であるU相巻線1a、V相巻線1bおよびW相巻線1cに矩形波電圧を印加するSRM駆動用インバータ2と、SRM駆動用インバーター2を制御するSRM制御部5と、インバーター2へ直流電源を供給する直流電源3と、インバーター2のDCリンクに接続されるコンデンサー6とから構成される。
なお、スイッチト・リラクタンス・モーター(SRM)は永久磁石を用いないモーターで、突極構造の回転子と固定子とを有し、これらの回転子と固定子間の磁気抵抗(リラクタンス)が最小になるように巻線1a〜1cの励磁相を切り換えることによって、回転動力を発生する。このSRMは構造が頑強であり、高温環境下でも使用でき、高速運転に向いているなどの特徴があり、電気自動車や高速モーターへの応用が期待されている。図1では、SRMの巻線1a〜1cのみを図示し、SRMの機械的および構造的な部分に関しては本願発明に直接関係しないので図示を省略する。
SRM駆動用インバーター2は、6個のスイッチング素子2a〜2fと6個のダイオード2g〜2lにより直流電源3の直流電圧を矩形波電圧に変換してSRMの3相巻線1a、1b、1cに印加する。なお、インバーター2と直流電源3との接続線はDCリンクと呼ばれ、このDCリンクの直流電源3の正側(P側)と負側(N側)の間にはコンデンサー6が接続されている。
この一実施の形態では、6個のスイッチング素子2a〜2fを、U相上段(P側)スイッチング素子2a、V相上段(P側)スイッチング素子2b、W相上段(P側)スイッチング素子2c、U相下段(N側)スイッチング素子2d、V相下段(N側)スイッチング素子2eおよびW相下段(N側)スイッチング素子2fと呼ぶ。また、6個のダイオード2g〜2lを、U相上段(P側)ダイオード2g、V相上段(P側)ダイオード2h、W相上段(P側)ダイオード2i、U相下段(N側)ダイオード2j、V相下段(N側)ダイオード2kおよびW相下段(N側)ダイオード2lと呼ぶ。
また、U、V、W相の上段側(P側)スイッチング素子2a、2b、2cをまとめて“上段スイッチング素子”または“P側スイッチング素子”と呼び、U、V、W相の下段側(N側)スイッチング素子2d、2e、2fをまとめて“下段スイッチング素子”または“N側スイッチング素子”と呼ぶ。さらに、U、V、W相の上段側(P側)ダイオード2g、2h、2iをまとめて“上段ダイオード”または“P側ダイオード”と呼び、U、V、W相の下段側(N側)ダイオード2j、2k、2lをまとめて“下段ダイオード”または“N側ダイオード”と呼ぶ。
SRM駆動用インバーター2はまた、SRMのU相巻線1aに流れる電流を検出するU相巻線電流センサー4aと、V相巻線1bに流れる電流を検出するV相巻線電流センサー4bと、W相巻線1cに流れる電流を検出するW相巻線電流センサー4cとを備えている。
SRM制御部5は、インバータスイッチング素子2a〜2fに駆動信号を与えるインバータ駆動信号生成部5aと、巻線電流センサー4a〜4cの出力値から巻線電流を検出する巻線電流検出部5bと、インバーター2のDCリンクにおける直流電圧の時間変化率を検出する直流電圧変化率検出部5cと、巻線電流検出部5bによる検出値と直流電圧変化率検出部5cによる検出値のいずれか一方または両方に基づいてSRMまたはその駆動制御装置の故障部位と故障原因を特定する故障検出部5dと、故障個所と故障原因を記憶する故障個所・原因記憶部5eとを備えている。
次に、故障診断時にスイッチング素子2a〜2fに与える3種類のスイッチングパターンについて説明する。図2は、3種類のスイッチングパターン1〜3を順に実行したときの、1相分の上段スイッチング素子駆動信号と下段スイッチング素子駆動信号を示す。
スイッチングパターン1では、故障診断を行う相の上段のスイッチング素子のみをオンし、その間、下段のスイッチング素子をオフにする。このスイッチングパターン1の実行中に故障を検出した場合には直ちに上段のスイッチング素子をオフし、故障を検出しなかった場合は所定時間t1経過後に上段のスイッチング素子をオフする。
スイッチングパターン2では、故障診断を行う相の下段のスイッチング素子のみをオンし、その間、上段のスイッチング素子をオフにする。このスイッチングパターン2の実行中に故障を検出した場合には直ちに下段のスイッチング素子をオフし、故障を検出しなかった場合は所定時間t2経過後に下段のスイッチング素子をオフする。
スイッチングパターン3では、故障診断を行う相の上段と下段のスイッチング素子を同時にオンする。このスイッチングパターン3の実行中に故障を検出した場合には直ちに上下段のスイッチング素子をオフし、故障を検出しなかった場合は所定時間t3経過後に上下段のスイッチング素子をオフする。
次に、スイッチングパターンを1、2、3の順番にU相上下のスイッチング素子2a、2dに与えたときのU相巻線電流、U相巻線電圧、インバーター2のDCリンクの直流電圧について、故障モードごとに図3〜図7を用いて説明する。図3〜図7では上から順に、各故障モードにおける上段スイッチング素子2aの駆動信号、下段スイッチング素子2dの駆動信号、上段スイッチング素子2aの動作状態、下段スイッチング素子2dの動作状態、SRMのU相巻線1aの巻線電流、インバーターDCリンクの直流電圧の波形を示す。
図3は正常時のインバーター2のU相各部の動作波形を示す。スイッチングパターン1および2では、SRMのU相巻線1aの巻線電圧と巻線電流はともに0のままである。スイッチングパターン3では、上下段のスイッチング素子2aと2dが共にオンしている時間t3において、SRMのU相巻線1aに次式で表される電流iuが流れる。
iu=(1/L)∫Edt ・・・ (1)
(1)式において、LはSRMのU相巻線1aのインダクダンス、Eはインバーター2のDCリンク電圧、tは上段スイッチング素子2aと下段スイッチング素子2dが共にオンしてからの経過時間である。時間t3が経過し、上下段のスイッチング素子2a、2dがオフすると、ダイオード2gと2jを経由して巻線電流が直流電源3へ回生し、巻線電流が減衰していく。
iu=(1/L)∫Edt ・・・ (1)
(1)式において、LはSRMのU相巻線1aのインダクダンス、Eはインバーター2のDCリンク電圧、tは上段スイッチング素子2aと下段スイッチング素子2dが共にオンしてからの経過時間である。時間t3が経過し、上下段のスイッチング素子2a、2dがオフすると、ダイオード2gと2jを経由して巻線電流が直流電源3へ回生し、巻線電流が減衰していく。
図4は、上段のダイオード2gが短絡した場合のU相各部の動作波形を示す。この故障モードでは、すべてのスイッチングパターン1〜3において巻線電流は流れない。インバーターDCリンクの直流電圧は、スイッチングパターン1では正常時と同様な値を示し、スイッチングパターン2では下段スイッチング素子2dがオンしている時間t2の間、ほぼ0になり、スイッチングパターン3では上下段のスイッチング素子2a、2dが共にオンしている時間t3の間、ほぼ0になる。
図5は、下段のダイオード2jが短絡した場合のU相各部の動作波形を示す。この故障モードでは、すべてのスイッチングパターン1〜3において巻線電流は流れない。インバーターDCリンクの直流電圧は、スイッチングパターン2では正常時と同じ値を示し、スイッチングパターン1では上段のスイッチング素子2aがオンしている時間t1の間、ほぼ0になり、スイッチングパターン3では上下段のスイッチング素子2a、2dが共にオンしている時間t3の間、ほぼ0になる。
図6は、SRMのU相巻線1aが短絡した場合のU相各部の動作波形を示す。この故障モードでは、スイッチングパターン1と2では正常時と同様な巻線電流波形が得られるが、スイッチングパターン3では上下のスイッチング素子2aと2dが共にオンしている時間t3の間、大きな巻線電流が流れる。また、インバーターDCリンクの直流電圧は、スイッチングパターン1と2では正常時と同様な電圧波形が得られるが、スイッチングパターン3では上下のスイッチング素子2aと2dが共にオンしている時間t3の間、ほぼ0になる。
図7は、SRMのU相巻線の正側(P側)端子が地絡した場合のU相各部の動作波形を示す。この故障モードでは、スイッチングパターン2では正常時と同様な巻線電流波形が得られるが、スイッチングパターン1と3では上段スイッチング素子2aがオンしている時間t1とt3の間、大きな巻線電流が流れる。また、インバーターDCリンクの直流電圧は、スイッチングパターン2では正常時と同様な電圧波形が得られるが、スイッチングパターン1と3では上段スイッチング素子2aがオンしている時間t1とt3の間、ほぼ0になる。
次に、故障の検出方法について説明する。故障の検出には、巻線電流検出部5bにより検出した巻線電流、もしくは直流電圧変化率検出部5cにより検出したインバーターDCリンクの直流電圧変化率の内のいずれか一方または両方の値を用いる。この一実施の形態では巻線電流と直流電圧変化率の両方を用いた故障検出方法を説明する。
SRMの巻線短絡または巻線正側(P側)端子地絡が発生すると、故障診断中に巻線に大きな電流が流れる。したがって、所定の電流しきい値ioc[A]を設定し、巻線電流検出部5bにより検出した巻線電流iがしきい値iocを超えた場合、SRMの巻線短絡または巻線正側(P側)端子地絡が発生したと判定する。
また、直流電源3の短絡故障が発生すると大きな短絡電流が流れる。このとき、DCリンクコンデンサー6から流れる電流isは次式のように表される。
is=C・dv/dt ・・・ (2)
(2)式において、電流isはコンデンサー6に流れ込む向きを正とし、Cはコンデンサー6の静電容量、vはコンデンサー6の両端電圧である。直流電源3の短絡故障が発生していれば電流is≪0となる短絡電流が発生し、(2)式よりdv/dt≪0となる。すなわち、インバーターDCリンクの直流電圧が急激に低下する。したがって、負の大きさの電圧変化率しきい値vod[V/sec]を設定し、直流電圧変化率検出部5cにより検出した直流電圧変化率dv/dtがしきい値vodを下回った場合、直流電源3の短絡故障が発生したと判定する。
is=C・dv/dt ・・・ (2)
(2)式において、電流isはコンデンサー6に流れ込む向きを正とし、Cはコンデンサー6の静電容量、vはコンデンサー6の両端電圧である。直流電源3の短絡故障が発生していれば電流is≪0となる短絡電流が発生し、(2)式よりdv/dt≪0となる。すなわち、インバーターDCリンクの直流電圧が急激に低下する。したがって、負の大きさの電圧変化率しきい値vod[V/sec]を設定し、直流電圧変化率検出部5cにより検出した直流電圧変化率dv/dtがしきい値vodを下回った場合、直流電源3の短絡故障が発生したと判定する。
図4〜図7に示す故障モードにおいて、スイッチングパターン2でインバーターDCリンクの直流電圧変化率dv/dtがしきい値vodを下回った場合(dv/dt<vod)には、診断相の上段(P側)のダイオード(2g、2h、2i)の短絡故障が発生していると判断する。
また、スイッチングパターン1でSRMの巻線電流iがしきい値iocより小さく、かつ直流電圧変化率dv/dtがしきい値vodを下回った場合(i<ioc、dv/dt<vod)には、診断相の下段(N側)のダイオード(2j、2k、2l)の短絡故障が発生していると判断する。
スイッチングパターン1で巻線電流iがしきい値iocより小さく(i<ioc)、かつスイッチングパターン3で巻線電流iがしきい値iocより大きく(i>ioc)なった場合には、SRMの巻線短絡が発生していると判断する。
スイッチングパターン1で巻線電流iがしきい値iocより大きく、かつ直流電圧変化率dv/dtがしきい値vodを下回った場合(i>ioc、dv/dt<vod)には、SRMの巻線正側(P側)端子に地絡故障が発生していると判断する。
なお、スイッチングパターンによる故障診断を実行中に故障を検出した場合には、直ちに上下段のスイッチング素子2a〜2fの駆動信号をオフし、以降のスイッチングパターンによる故障診断も中止する。続いて故障個所・原因記憶部5eに故障の発生箇所と故障原因を記録し、次回の故障検査前に記録情報を読み出して故障が発生している相のスイッチング素子をオンしないようにする。
このように、一実施の形態によれば、インバーター2の各相のスイッチング素子2a〜2fに対して複数のスイッチングパターンにしたがってスイッチングを行い、巻線電流センサー4a〜4cより検出された巻線電流iと直流電圧変化率検出部5cにより検出された直流電源電圧変化率dv/dtとに基づいて、インバーター2およびSRMの故障の部位と故障の原因とを診断する際に、巻線電流センサー4a〜4cより検出された巻線電流i、もしくは直流電圧変化率検出部5cにより検出された直流電源電圧変化率dv/dtの内のいずれか一方または両方の値に基づいて直流電源3を短絡させる故障の発生を判定し、故障発生判定時には直ちにスイッチング素子2a〜2fをオフする。これにより、直流電源3を短絡させる故障を検出でき、故障部位の拡大を防止できる。さらに、自己保護機能を備えたインバーターを使用しなくても短絡故障が検出できるので、安価にシステムを構成できる。
また、一実施の形態によれば、故障診断相のP側スイッチング素子を所定時間t1だけオンし、同じ相のN側スイッチング素子をオフのままとするスイッチングパターン1と、故障診断相のN側スイッチング素子を所定時間t2だけオンし、同じ相のP側スイッチング素子をオフのままとするスイッチングパターン2と、故障診断相のP側スイッチング素子とN側スイッチング素子とを所定時間t3だけ同時にオンするスイッチングパターン3とから成るスイッチングパターンを用い、これらのスイッチングパターン1〜3を実行したときに巻線電流センサー4a〜4cより検出された巻線電流iが予め設定したしきい値iocを超えた場合には、SRM巻線1a〜1cの短絡故障またはSRM巻線P側端子の地絡故障の発生と判定し、直ちにスイッチング素子2a〜2fをオフする。これにより、直流電源3を短絡させる故障を検出でき、故障部位の拡大を防止できる。
さらに、一実施の形態によれば、故障診断相のP側スイッチング素子を所定時間t1だけオンし、同じ相のN側スイッチング素子をオフのままとするスイッチングパターン1と、故障診断相のN側スイッチング素子を所定時間t2だけオンし、同じ相のP側スイッチング素子をオフのままとするスイッチングパターン2と、故障診断相のP側スイッチング素子とN側スイッチング素子とを所定時間t3だけ同時にオンするスイッチングパターン3とから成るスイッチングパターンを用い、スイッチングパターン1〜3を実行したときに直流電圧変化率検出部5cにより検出された直流電源電圧変化率dv/dtが予め設定したしきい値vodを超えて低下した場合には、SRM巻線1a〜1cの短絡故障、またはSRM巻線P側端子の地絡故障、またはインバーター2のダイオード2g〜2lの短絡故障の発生と判定し、スイッチング素子2a〜2fをオフする。これにより、直流電源3を短絡させる故障を検出でき、故障部位の拡大を防止できる。
さらにまた、一実施の形態によれば、故障診断結果の故障個所と故障原因を記憶しておき、SRM巻線1a〜1cの短絡故障、SRM巻線P側端子の地絡故障およびインバーター2のダイオード短絡故障のいずれかの発生が記憶されている場合には、故障を検出した相の故障診断を禁止するとともに、その相のスイッチング素子をオフにしたままとするようにしたので、故障している相に対してふたたび故障診断を行うことが避けられ、故障部位の拡大を防止できる。
特許請求の範囲の構成要素と一実施の形態の構成要素との対応関係は次の通りである。すなわち、巻線電流センサー4a〜4cが電流検出器を、直流電圧変化率検出部5cが電圧検出器を、故障検出部5dが故障診断回路および駆動禁止回路を、故障個所・原因記憶部5eが記憶回路をそれぞれ構成する。なお、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。
なお、上述した一実施の形態では三相SRMを例に上げて説明したが、SRMは三相に限定されるものではなく、三相以外のSRMに対しても本発明を適用することができる。
1a〜1c SRM巻線
2a〜2f スイッチング素子
2g〜2l ダイオード
3 直流電源
4a〜4c 巻線電流センサー
5 SRM制御部
5a インバーター駆動信号生成部
5b 巻線電流検出部
5c 直流電圧変化率検出部
5d 故障検出部
5e 故障個所・原因記憶部
5f 故障しきい値決定部
6 コンデンサー
2a〜2f スイッチング素子
2g〜2l ダイオード
3 直流電源
4a〜4c 巻線電流センサー
5 SRM制御部
5a インバーター駆動信号生成部
5b 巻線電流検出部
5c 直流電圧変化率検出部
5d 故障検出部
5e 故障個所・原因記憶部
5f 故障しきい値決定部
6 コンデンサー
Claims (5)
- 相ごとにP側とN側のスイッチング素子およびP側とN側のダイオードから構成され、直流電源の直流電圧を矩形波電圧に変換して複数相のスイッチト・リラクタンス・モーター(以下、SRMと呼ぶ)に印加するインバーターと、
前記SRMの各相巻線に流れる電流を検出する電流検出器と、
前記インバーターの直流電源電圧の変化率を検出する電圧検出器と、
前記インバーターの各相のスイッチング素子に対して複数のスイッチングパターンにしたがってスイッチングを行い、前記電流検出器より検出された巻線電流と前記電圧検出器により検出された直流電源電圧変化率とに基づいて、前記インバーターおよび前記SRMの故障の部位と故障の原因とを診断する故障診断回路とを備えたSRM駆動制御装置であって、
前記故障診断回路は、前記電流検出器より検出された巻線電流、もしくは前記電圧検出器により検出された直流電源電圧変化率の内のいずれか一方または両方の値に基づいて前記直流電源を短絡させる故障の発生を判定し、故障発生判定時には直ちに前記スイッチング素子をオフすることを特徴とするSRM駆動制御装置。 - 請求項1に記載のSRM駆動制御装置において、
前記複数のスイッチングパターンは、故障診断相のP側スイッチング素子を所定時間t1だけオンし、同じ相のN側スイッチング素子をオフのままとするスイッチングパターン1と、
故障診断相のN側スイッチング素子を所定時間t2だけオンし、同じ相のP側スイッチング素子をオフのままとするスイッチングパターン2と、
故障診断相のP側スイッチング素子とN側スイッチング素子とを所定時間t3だけ同時にオンするスイッチングパターン3とから成ることを特徴とするSRM駆動制御装置。 - 請求項2に記載のSRM駆動制御装置において、
前記故障診断回路は、前記スイッチングパターン1〜3を実行したときに前記電流検出器より検出された巻線電流が予め設定したしきい値を超えた場合には、前記SRM巻線の短絡故障または前記SRM巻線P側端子の地絡故障の発生と判定し、直ちに前記スイッチング素子をオフすることを特徴とするSRM駆動制御装置。 - 請求項2に記載のSRM駆動制御装置において、
前記故障診断回路は、前記スイッチングパターン1〜3を実行したときに前記電圧検出器により検出された直流電源電圧変化率が予め設定したしきい値を下回った場合には、前記SRM巻線の短絡故障、または前記SRM巻線P側端子の地絡故障、または前記インバーターのダイオードの短絡故障の発生と判定し、前記スイッチング素子をオフすることを特徴とするSRM駆動制御装置。 - 請求項1〜4のいずれかの項に記載のSRM駆動制御装置において、
前記故障診断回路による故障診断結果の故障個所と故障原因を記憶する記憶回路と、
前記記憶回路に前記SRM巻線の短絡故障、前記SRM巻線P側端子の地絡故障および前記インバーターのダイオード短絡故障のいずれかの発生が記憶されている場合には、故障を検出した相の故障診断を禁止するとともに、その相のスイッチング素子をオフにしたままとする駆動禁止回路とを備えることを特徴とするSRM駆動制御装置。
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