JP2018007498A - モータ制御システム、初期充電装置、及び故障検出方法 - Google Patents

モータ制御システム、初期充電装置、及び故障検出方法 Download PDF

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Abstract

【課題】電力変換回路における堅牢性を向上できる。【解決手段】少なくとも、半導体スイッチング素子２１、リアクトル２３を備えて入力側直流母線電圧Ｖ１ｒｅｌを所定の出力側直流母線電圧Ｖ２ｒｅｌに変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータ５と、半導体スイッチング素子２１の通流率を制御する制御装置６と、出力側直流母線１３間に接続される平滑コンデンサ７と、上位装置からの駆動指令に基づいてモータを駆動するインバータ８と、を有するモータ制御システム１であって、制御装置６は、通流率が１００％であって、かつリアクトル２３に流れるリアクトル電流検出値ＩＬが略０である際に、入力側直流母線電圧Ｖ１ｒｅｌと出力側直流母線電圧Ｖ２ｒｅｌそれぞれの検出電圧値Ｖ１，Ｖ２に基づいて当該モータ制御システム１における故障の発生を判別する。【選択図】図５

Description

開示の実施形態は、モータ制御システム、初期充電装置、及び故障検出方法に関する。
特許文献１には、直流電源と平滑コンデンサの間に設けたチョッパ装置の通流率を時間的に漸次増加して平滑コンデンサを初期充電し、通流率が１００％になったときチョッパ装置を直流母線から切り離して直流電源と平滑コンデンサを直接接続する電力変換装置が記載されている。
特開２０１３−２７０９５号公報
上記従来技術で用いるチョッパ装置は、充電制御で大電流のスイッチングを繰り返すことにより部品要素に故障が発生する可能性がある。故障が発生した場合には、通流率が１００％になっても直流電源と平滑コンデンサの間に大きな差電圧が残る恐れがあり、そのまま入力側直流母線と出力側直流母線を直接接続した際には平滑コンデンサに過大な突入電流を流してしまう。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、電力変換回路における堅牢性を向上できるモータ制御システム、初期充電装置、及び故障検出方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、少なくとも、半導体スイッチング素子、リアクトルを備えて入力側直流母線電圧を所定の出力側直流母線電圧に変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータ部と、前記半導体スイッチング素子の通流率を制御する制御部、出力側直流母線間に接続される平滑コンデンサと、上位装置からの駆動指令に基づいてモータを駆動するモータ制御部と、を有するモータ制御システムであって、前記制御部は、前記通流率が１００％であって、かつ前記リアクトルに流れるリアクトル電流検出値が略０である際に、前記入力側直流母線電圧と前記出力側直流母線電圧それぞれの検出電圧値に基づいて当該モータ制御システムにおける故障の発生を判別するモータ制御システムが適用される。
また、本発明の別の観点によれば、少なくとも、半導体スイッチング素子、リアクトルを備えて入力側直流母線電圧を所定の出力側直流母線電圧に変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータ部と、前記半導体スイッチング素子の通流率を制御する制御部と、出力側直流母線間に接続される平滑コンデンサと、を有する初期充電装置であって、前記制御部は、前記通流率が１００％であって、かつ前記リアクトルに流れるリアクトル電流検出値が略０である際に、前記入力側直流母線電圧と前記出力側直流母線電圧それぞれの検出電圧値に基づいて前記平滑コンデンサの初期充電完了を判別する初期充電装置が適用される。
また、本発明の別の観点によれば、少なくとも、半導体スイッチング素子、リアクトルを備えて入力側直流母線電圧を所定の出力側直流母線電圧に変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータ部と、前記半導体スイッチング素子の通流率を制御する制御部と、前記出力側直流母線間に接続される平滑コンデンサと、上位装置からの駆動指令に基づいてモータを駆動するモータ制御部と、を有するモータ制御システムにおける故障検出方法であって、前記通流率が１００％であるか否かを判定することと、前記リアクトルに流れるリアクトル電流検出値が略０であるか否かを判定することと、前記通流率が１００％であって、かつ前記リアクトルに流れるリアクトル電流検出値が略０であると判定された場合に、前記入力側直流母線電圧と前記出力側直流母線電圧それぞれの検出電圧値に基づいて当該モータ制御システムにおける故障の発生を判別することを実行する故障検出方法が適用される。
本発明によれば、電力変換回路における堅牢性を向上できる。
実施形態のモータ制御システムの概略的な回路構成の一例を表す図である。 比較例の基本充電動作でＤＣ−ＤＣコンバータに故障が発生した場合の各状態値の経時変化の一例を表す図である。 比較例の基本充電動作でＤＣ−ＤＣコンバータに故障が発生していない場合の各パラメータの経時変化の一例を表す図である。 実施形態の充電動作でＤＣ−ＤＣコンバータに故障が発生した場合の各パラメータの経時変化の一例を表す図である。 実施形態の充電動作でＤＣ−ＤＣコンバータに故障が発生していない場合の各パラメータの経時変化の一例を表す図である。 実施形態の相対誤差設定処理を実現するために、制御装置のＣＰＵが実行する制御手順を表すフローチャートの一例である。 実施形態の平滑コンデンサ充電処理を実現するために、制御装置のＣＰＵが実行する制御手順を表すフローチャートの一例である。 変形例のモータ制御システムの概略的な回路構成の一例を表す図である。 制御装置のハードウェア構成例を表すブロック図である。
以下、実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
＜モータ制御システムの構成＞
図１は、本実施形態のモータ制御システムの概略的なシステム構成及び回路構成の一例を表している。このモータ制御システム１は、外部の交流電源２から給電される交流電力を直流電力に変換し、この直流電力をＰＷＭ制御で所定の交流駆動電力に変換してモータ３に給電することで当該モータ３の駆動制御を行う電力変換回路として機能する。図１において、モータ制御システム１は、ＡＣ−ＤＣコンバータ４と、ＤＣ−ＤＣコンバータ５と、コンタクタＭＣと、制御装置６と、平滑コンデンサ７と、インバータ８と、モータ３を有している。
ＡＣ−ＤＣコンバータ４は、本実施形態の例ではダイオードブリッジ１１を有しており、外部の交流電源２からの交流電力をダイオードブリッジ１１で整流して入力側直流母線１２に直流電力を給電する。
ＤＣ−ＤＣコンバータ５（ＤＣ−ＤＣコンバータ部）は、図示する本実施形態の例では半導体スイッチング素子２１と、ダイオード２２と、リアクトル２３を備えた双方向フロー型のチョッパ回路（スイッチングレギュレータ）である。具体的には、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴからなる半導体スイッチング素子２１のコレクタ−エミッタ間（ドレイン−ソース間）にダイオード２２（ＭＯＳＦＥＴの場合は寄生ダイオード）を並列接続してアームスイッチング素子とし、このアームスイッチング素子を入力側直流母線１３のプラス側配線１３ｐとマイナス側配線１３ｍの間で２つ直列に接続している。なお、各アームスイッチング素子のダイオード２２は、いわゆるフライホイールダイオードと同様にそれぞれマイナス側配線１３ｍからプラス側配線１３ｐへ向かう方向を順方向として接続されている。
また、本実施形態では、プラス側に接続されている方を上アームスイッチング素子ＱＨとし、マイナス側に接続されている方を下アームスイッチング素子ＱＬとする。そして２つのアームスイッチング素子ＱＨ、ＱＬの間の中間点にリアクトル２３の一端（図中の左側の端部）が接続されている。このリアクトル２３は、具体的にはコイル（インダクタンス素子）であり、各アームスイッチング素子ＱＨ、ＱＬのスイッチングに伴って電磁エネルギーの蓄積と放出を行う。このリアクトル２３の他端（図中の右側の端部）と入力側直流母線１２のマイナス側配線１２ｍの延長線が当該ＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力となり、出力側直流母線１３に接続する。
コンタクタＭＣは、入力側直流母線１２と出力側直流母線１３それぞれのプラス側配線１２ｐ，１３ｐの間の接続と遮断を切り替えるスイッチである。コンタクタＭＣを遮断した場合には、上記ＤＣ−ＤＣコンバータ５を介して入力側直流母線１２と出力側直流母線１３を間接的に接続した状態となる。コンタクタＭＣを接続した場合には、入力側直流母線１２と出力側直流母線１３を直接接続した状態となる。
制御装置６（制御部）は、入力側直流母線電圧検出部３１（図中では「Ｖ１電圧検出部」と略記）と、リアクトル電流検出部３２（図中では「ＩＬ電流検出部」と略記）と、出力側直流母線電圧検出部３３（図中では「Ｖ２電圧検出部」と略記）を有している。入力側直流母線電圧検出部３１は、入力側直流母線１２のプラス側配線１２ｐとマイナス側配線１２ｍの間に付加されている実際の入力側直流母線電圧Ｖ１ｒｅｌを検出し、その検出値として入力側検出電圧値Ｖ１を出力する。リアクトル電流検出部３２は、例えばホール素子等の電流センサ３４を用いてリアクトル２３に流れるリアクトル電流検出値ＩＬを検出する。出力側直流母線電圧検出部３３は、出力側直流母線１３のプラス側配線１３ｐとマイナス側配線１３ｍの間に付加されている実際の出力側直流母線電圧Ｖ２ｒｅｌを検出し、その検出値として出力側検出電圧値Ｖ２を出力する。そして制御装置６は、各検出部３１、３２、３３の検出値に基づくＰＷＭ制御により各アームスイッチング素子ＱＨ、ＱＬのスイッチングを制御することで、上記ＤＣ−ＤＣコンバータ５による入力側直流母線電圧Ｖ１ｒｅｌと出力側直流母線電圧Ｖ２ｒｅｌの間の直流電圧変換を行う。
平滑コンデンサ７は、出力側直流母線１３のプラス側配線１３ｐとマイナス側配線１３ｍの間に接続されている。この平滑コンデンサ７は、出力側直流母線１３の直流電力を平滑するよう機能するとともに、大容量の直流電力を充電（大容量の電荷を蓄電）することで、モータ３の急加速や急減速に伴う出力側直流母線１３の一時的な直流電力の過不足を補助するよう機能する。
インバータ８（モータ制御部）は、例えばフライホイールダイオード１４を並列接続した半導体スイッチング素子１５をブリッジ接続したスイッチング回路１６を有している。このインバータ８は、特に図示しない駆動制御装置（上位装置）のＰＷＭ制御により各半導体スイッチング素子１５を適宜スイッチングすることで、出力側直流母線１３の直流電力を所望の周波数及び波形の交流電圧に変換し、モータ３に給電してその駆動制御を行う。
また上記制御装置６は、上記コンタクタＭＣに対して接続と遮断を制御するコンタクタ制御信号ＭＣＯＮと、上記インバータ８の駆動制御装置（特に図示せず）に対して直流電力の給電準備が完了したことを報知するレディ信号ＲＤＹと、特に図示しない上位制御装置に対して上記ＤＣ−ＤＣコンバータ５に故障が発生していることを報知する非常信号ＡＬＭの各信号の出力も制御する。
なお、上述した入力側直流母線電圧検出部３１、リアクトル電流検出部３２、及び出力側直流母線電圧検出部３３等における処理等は、これらの処理の分担の例に限定されるものではなく、例えば、更に少ない数の処理部（例えば１つの処理部）で処理されてもよく、また、更に細分化された処理部により処理されてもよい。また、制御装置６は、後述するＣＰＵ９０１（図９参照）が実行するプログラムにより実装されてもよいし、その一部又は全部がＡＳＩＣやＦＰＧＡ、その他の電気回路等の実際の装置により実装されてもよい。
＜モータ制御システムの基本動作＞
以上の構成のモータ制御システム１においては、上述したように、外部の交流電力から整流・変換された直流電力が直流母線に給電され、この直流母線間に接続された平滑コンデンサ７が直流電力を平滑し、インバータ８が直流母線の直流電力を用いてモータ３に給電する交流駆動電力を制御する。近年ではモータ３の大出力化に伴って直流母線に給電する直流電力も大容量化が進んでおり、そのため電源投入起動時における平滑コンデンサ７の初期充電では過大な突入電流が流れて回路中の配線や各要素部品を故障させる原因となりやすい。
そのため本実施形態では、直流母線を、直流電力の入力側である入力側直流母線１２と、平滑コンデンサ７を接続して直流電力をインバータ８に給電する出力側直流母線１３に分け、これら入力側直流母線１２と出力側直流母線１３の間にＤＣ−ＤＣコンバータ５を設けている。平滑コンデンサ７の初期充電時には、コンタクタＭＣを遮断した状態で、制御装置６がＤＣ−ＤＣコンバータ５をいわゆる降圧コンバータとして機能させるよう下アームスイッチング素子ＱＬを遮断したまま上アームスイッチング素子ＱＨのみをスイッチングする。
そして制御装置６は、この上アームスイッチング素子ＱＨのスイッチングにおけるＰＷＭ制御の通流率（デューティ比）を０％から経時的に増加させ、平滑コンデンサ７への充電電流を一定に維持しつつ充電電力（充電電圧）を経時的に増加させる定電流充電制御を行う。そして通流率が１００％となった後で、コンタクタＭＣを接続させることにより入力側直流母線１２と出力側直流母線１３を直接接続させ、平滑コンデンサ７の充電動作が完了する。以上の充電動作により、平滑コンデンサ７への充電電流が過剰な突入電流になることを回避し、入力側直流母線１２から出力側直流母線１３への直接的な直流電力の給電が可能になる。
＜基本動作の問題点＞
しかし、上記のような基本動作による充電制御を行った場合でも、大電流のスイッチングを繰り返すことにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ５を構成する部品要素（半導体スイッチング素子２１、ダイオード２２、リアクトル２３など）や回路の各部に断線や短絡などの故障が発生する可能性がある。
図２は、上記基本動作を比較例としてＤＣ−ＤＣコンバータ５に故障が発生した場合の各状態値の経時変化の一例を示しており、図中の上方から直流母線電圧、通流率、電流、コンタクタ制御信号ＭＣＯＮを示している。この図２に示す例では、ＤＣ−ＤＣコンバータ５に故障が発生していることから、制御装置６がリアクトル電流検出値ＩＬを流そうとして通流率を増加させても、リアクトル電流検出値ＩＬがほとんど流れずそのまま通流率だけを増加させてしまう。
このため、通流率が１００％に達した時点でもまだ平滑コンデンサ７の充電が不十分となって、入力側直流母線１２の入力側直流母線電圧Ｖ１ｒｅｌと出力側直流母線１３の出力側直流母線電圧Ｖ２ｒｅｌの間に大きな差電圧が残ってしまう。そして上記基本動作のように、通流率１００％の条件だけでそのままコンタクタ制御信号ＭＣＯＮをＯＮ出力し入力側直流母線１２と出力側直流母線１３を直接接続すると、平滑コンデンサ７に過大な突入電流ＩＭＣを流してしまう。
このような故障の発生を想定して平滑コンデンサ７への過大な突入電流ＩＭＣの流入を回避するためには、通流率が１００％となっても入力側直流母線電圧Ｖ１ｒｅｌと出力側直流母線電圧Ｖ２ｒｅｌが略一致したことを確認してから入力側直流母線１２と出力側直流母線１３を直接接続することが望ましい。しかしながら、ＤＣ−ＤＣコンバータ５に故障が発生していない場合でも、上記図２に対応する図３に示すように、入力側検出電圧値Ｖ１と出力側検出電圧値Ｖ２それぞれの検出誤差の影響によって大きな突入電流ＩＭＣを発生させる可能性がある。
この図３に示す例では、リアクトル電流検出値ＩＬを一定値Ｉｃで流すよう通流率を増加させて１００％に達した際に、入力側検出電圧値Ｖ１と出力側検出電圧値Ｖ２が一致している。しかし、各検出電圧値Ｖ１，Ｖ２それぞれの検出誤差が大きいために、実際の入力側直流母線電圧Ｖ１ｒｅｌと出力側直流母線電圧Ｖ２ｒｅｌの間に差電圧が生じていながら検知できず、そのままコンタクタ制御信号ＭＣＯＮをＯＮ出力して入力側直流母線１２と出力側直流母線１３を直接接続すると、平滑コンデンサ７に過大な突入電流ＩＭＣを流してしまう。
＜本実施形態の充電動作＞
以上の基本動作の問題点に対処するために本実施形態では、まず制御装置６が、通流率が１００％であって、かつリアクトル電流検出値ＩＬが略０である際に、入力側検出電圧値Ｖ１と出力側検出電圧値Ｖ２をそれぞれ検出する。通流率１００％のＤＣ−ＤＣコンバータ５に故障が発生していない場合には、これらの検出電圧値Ｖ１，Ｖ２は略同じ値となる。また逆に、ＤＣ−ＤＣコンバータ５に断線、短絡などの故障が発生している場合には、上記図２に対応する図４に示すように、通流率が１００％となった時点でも平滑コンデンサ７の充電電圧が不十分となって、入力側検出電圧値Ｖ１と出力側検出電圧値Ｖ２の間の検出差分値（Ｖ１−Ｖ２）が大きくなる可能性が高い。
このため制御装置６は、あらかじめ十分に大きい値に設定された許容誤差値δＶよりも上記検出差分値（Ｖ１−Ｖ２）が大きい場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータ５において故障が発生していると判別できる。これにより制御装置６は、故障の有無に基づいて入力側直流母線１２と出力側直流母線１３の直接接続を行うべきか判定でき、平滑コンデンサ７への過大な突入電流ＩＭＣの流入を回避できる。なお、図示するようにＶ１−Ｖ２＞δＶの条件を満たして故障が発生していると判別した場合には、制御装置６がコンタクタ制御信号ＭＣＯＮをＯＦＦとしたまま非常信号ＡＬＭをＯＮ出力し、さらに安全のためＤＣ−ＤＣコンバータ５の通流率を０％に落として入力側直流母線１２と出力側直流母線１３の間の電気的接続を確実に遮断する。なお、図中の故障判別処理は、上述したＶ１−Ｖ２＜δＶの判定により故障が発生しているか判別する処理であり、通流率が１００％到達後であって、かつリアクトル電流検出値ＩＬが略０である際に行われる（図中の待機時間Ｔｈについては後述する）。
さらに本実施形態では、制御装置６が、ＤＣ−ＤＣコンバータ５において故障が発生していないと判別し、かつ入力側検出電圧値Ｖ１と出力側検出電圧値Ｖ２の間の検出差分値（Ｖ１−Ｖ２）が、入力側検出電圧値Ｖ１と出力側検出電圧値Ｖ２それぞれの検出誤差の間の検出相対誤差Ｖｅｒｒ以下である場合に、コンタクタ制御信号ＭＣＯＮをＯＮ出力して入力側直流母線１２と出力側直流母線１３の間を直接接続する。
上記図３に対応する図５に示す例では、ＤＣ−ＤＣコンバータ５に故障が発生していないため、通流率が１００％に達した際には実際の入力側直流母線電圧Ｖ１ｒｅｌと出力側直流母線電圧Ｖ２ｒｅｌが一致している。しかしその一方で、入力側検出電圧値Ｖ１と出力側検出電圧値Ｖ２については、それぞれの検出誤差が大きいため一致していない。この場合でも、出力側検出電圧値Ｖ２に対して２つの検出電圧値Ｖ１，Ｖ２の間の検出相対誤差Ｖｅｒｒを加算した補正検出電圧値Ｖ２ｔｕｎ（＝Ｖ２＋Ｖｅｒｒ）が、入力側検出電圧値Ｖ１と略同電圧で一致（Ｖ１≒Ｖ２ｔｕｎ）していることで、制御装置６は実際の入力側直流母線電圧Ｖ１ｒｅｌと出力側直流母線電圧Ｖ２ｒｅｌが略一致していることを確認できる。なお、図中の充電判別処理は、このようにＶ１≒Ｖ２ｔｕｎの判定により充電が十分に行われたか判別する処理であり、上記故障判別処理と併せて行われる（図中の待機時間Ｔｈについては後述する）。
これにより制御装置６は、各電圧検出部３１，３３にそれぞれ潜在する検出誤差の影響を排除して電圧一致（差電圧が略０）を確認でき、その上で入力側直流母線１２と出力側直流母線１３を直接接続できる。具体的には、制御装置６がコンタクタ制御信号ＭＣＯＮをＯＮ出力して入力側直流母線１２と出力側直流母線１３を直接接続した後に、レディ信号ＲＤＹもＯＮ出力し、さらに通流率を０％に落として安全の為にスイッチング素子ＱＨ，ＱＬをＯＦＦにしてＤＣ−ＤＣコンバータ５に電流が流れないようにする。これにより、上記図３に示した差電圧による大きな突入電流ＩＭＣの発生を回避し、回路への負担を抑えつつ安定した直流電力の給電が可能になる。そしてこのように正常に充電動作を完了した後に、インバータ８を動作させてモータ３に駆動制御電力を給電できる。
ここで、上記検出相対誤差Ｖｅｒｒは、実際の入力側直流母線電圧Ｖ１ｒｅｌと出力側直流母線電圧Ｖ２ｒｅｌが確実に一致していると想定されるタイミングで、入力側検出電圧値Ｖ１と出力側検出電圧値Ｖ２の差分から設定しなければならない。本実施形態では、この検出相対誤差Ｖｅｒｒの設定に関する処理を相対誤差設定処理（後述の図６参照）といい、充電動作とは並列又は別途行われる。この相対誤差設定処理を行うタイミングとしては、特に図示しないが、平滑コンデンサ７が通常使用電圧まで充電された状態でコンタクタＭＣを接続している際、又は通流率が１００％かつリアクトル電流検出値ＩＬが略０となっている際に行われる。具体的にこの相対誤差設定処理では、入力側検出電圧値Ｖ１と出力側検出電圧値Ｖ２を検出し、それらの差分から検出相対誤差Ｖｅｒｒの設定を行っている。
なお、上記充電判別処理の手法では、出力側検出電圧値Ｖ２に検出相対誤差Ｖｅｒｒを加算してチューニングした補正検出電圧値Ｖ２ｔｕｎが入力側検出電圧値Ｖ１と略一致することを条件（Ｖ１≒Ｖ２ｔｕｎ＝Ｖ２＋Ｖｅｒｒ）として、各直流母線１２，１３の直接接続を行った。しかし、回路に流れる電流が大きい場合には２つの電圧検出部３１，３３にそれぞれ潜在する検出誤差の影響が大きく、常に確実な電圧一致を保証することは困難となる。このため、検出した２つの検出電圧値Ｖ１，Ｖ２の差があらかじめ設定された検出相対誤差Ｖｅｒｒ以下であることを条件（Ｖ１−Ｖ２≦Ｖｅｒｒ）としてコンタクタ制御信号ＭＣＯＮをＯＮ出力させてもよい。この場合には、各直流母線１２，１３間に残る多少の差電圧によって平滑コンデンサ７に比較的小さい突入電流ＩＭＣが流れる可能性があるが、その影響は十分低く抑えることができる。
＜制御フロー＞
以上のような機能を実現するために、制御装置６のＣＰＵ９０１（後述の図９参照）が相対誤差設定処理及び平滑コンデンサ充電処理を実行する場合のそれぞれの制御手順を、図６、図７により順を追って説明する。まず相対誤差設定処理を示す図６において、このフローに示す処理は、例えば後述の図７に示す平滑コンデンサ充電処理とほぼ同時に開始して並列に実行する。
まずステップＳ１０５で、ＣＰＵ９０１は、初期設定として相対誤差設定が未完（相対誤差設定ＮＧ）であると記録する。
次にステップＳ１１０へ移り、ＣＰＵ９０１は、通流率が１００％もしくはコンタクタＭＣが接続状態（コンタクタ制御信号ＭＣＯＮがＯＮ出力）であるか否かを判定する。通流率が１００％未満かつコンタクタＭＣが遮断状態である場合、判定は満たされず、ステップＳ１０５へ戻り同様の手順を繰り返す。
一方、上記ステップＳ１１０の判定において、通流率が１００％もしくはコンタクタＭＣが接続状態である場合、判定が満たされ、ステップＳ１１５へ移る。
ステップＳ１１５では、ＣＰＵ９０１は、リアクトル電流検出値ＩＬが０となっているか否かを判定する。リアクトル電流検出値ＩＬが０でない場合、判定は満たされず、ステップＳ１０５へ戻り同様の手順を繰り返す。
一方、リアクトル電流検出値ＩＬが０である場合、判定が満たされ、ステップＳ１２０へ移る。
ステップＳ１２０では、ＣＰＵ９０１は、その時点で検出された入力側検出電圧値Ｖ１と出力側検出電圧値Ｖ２の間の差分値（Ｖ１−Ｖ２）を検出相対誤差Ｖｅｒｒに設定する。
次にステップＳ１２５へ移り、ＣＰＵ９０１は、相対誤差設定が成功（相対誤差設定ＯＫ）したものと記録して、このフローを終了する。
以上の相対誤差設定処理によれば、その実行を開始してから実際の入力側直流母線電圧Ｖ１ｒｅｌと出力側直流母線電圧Ｖ２ｒｅｌが確実に一致していると想定される条件を満たすまでループ待機し、その条件が満たされた際に検出相対誤差Ｖｅｒｒを設定する。
次に平滑コンデンサ充電処理を示す図７において、このフローに示す処理は、モータ制御システム１が動作を停止して平滑コンデンサ７が完全に放電した状態である際に制御装置６が充電動作を開始することで、実行を開始する。
まずステップＳ５で、ＣＰＵ９０１は、コンタクタ制御信号ＭＣＯＮをＯＦＦ出力してコンタクタＭＣを遮断し、入力側直流母線１２と出力側直流母線１３の間にＤＣ−ＤＣコンバータ５を接続する。なお、特に図示していないが、非常信号ＡＬＭとレディ信号ＲＤＹについてもリセットしてＯＦＦ出力とする。
次にステップＳ１０へ移り、ＣＰＵ９０１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の通流率を０％にリセットする。
次にステップＳ１５へ移り、ＣＰＵ９０１は、リアクトル電流検出部３２の検出値を参照して平滑コンデンサ７に流す充電電流（リアクトル電流検出値ＩＬ）が一定値Ｉｃを維持するよう、通流率を増加する。
次にステップＳ２０へ移り、ＣＰＵ９０１は、通流率が１００％に達したか否かを判定する。通流率が１００％未満である場合、判定は満たされず、ステップＳ１５に戻り同様の手順を繰り返す。
一方、通流率が１００％に達している場合、判定が満たされ、ステップＳ２５へ移る。
ステップＳ２５では、ＣＰＵ９０１は、待機時間Ｔｈの時間だけ待機する。この待機時間Ｔｈは、ＤＣ−ＤＣコンバータ５における半導体スイッチング素子のスイッチングを実質的に停止（通流率１００％で完全通電）してから、リアクトル２３に蓄積された電磁エネルギーが完全に放出されてリアクトル電流検出値ＩＬが０になるまでに要する時間である（図４、図５参照）。すなわち、このステップＳ２５の手順が終了した時点でリアクトル電流検出値ＩＬはほぼ０に近いことが想定される。
次にステップＳ３０へ移り、ＣＰＵ９０１は、リアクトル電流検出部３２の検出値に基づいて、リアクトル電流検出値ＩＬが完全に０になるまでループ待機する。
次にステップＳ３５へ移り、ＣＰＵ９０１は、その時点で検出された入力側検出電圧値Ｖ１と出力側検出電圧値Ｖ２の間の検出差分値（Ｖ１−Ｖ２）があらかじめ設定されている許容誤差値δＶより小さいか否かを判定する。検出差分値（Ｖ１−Ｖ２）が許容誤差値δＶ以上である場合、判定は満たされず、ステップＳ４０へ移る。なお、このステップＳ３５の手順が、上記の故障判別処理に相当する。
ステップＳ４０では、ＣＰＵ９０１は、非常信号ＡＬＭをＯＮ出力し、図示しない上位制御装置に対してＤＣ−ＤＣコンバータ５の故障発生を報知する。なお、特に図示していないが、ここでスイッチング素子ＱＨ，ＱＬをＯＦＦにしてＤＣ−ＤＣコンバータ５の通流率も０％に落とす。そして、このフローを終了する。
一方、上記ステップＳ３５の判定において、検出差分値（Ｖ１−Ｖ２）が許容誤差値δＶより小さい場合、判定が満たされ、ステップＳ４３へ移る。
ステップＳ４３では、ＣＰＵ９０１は、相対誤差設定処理が成功（相対誤差設定ＯＫ）するまでループ待機する。上述したように、上記図６の相対誤差設定処理は当該図７の平滑コンデンサ充電処理と並列して実行しており、検出相対誤差Ｖｅｒｒの設定が完了した際（相対誤差設定ＯＫとなった際）にこのループから抜け出してステップＳ４５へ移る。なお、このステップＳ４３の手順を行う以前にすでに検出相対誤差Ｖｅｒｒの設定が完了（相対誤差設定ＯＫ）していた場合、すぐにステップＳ４５へ移る。
ステップＳ４５では、ＣＰＵ９０１は、事前の相対誤差設定処理で設定した検出相対誤差Ｖｅｒｒを出力側検出電圧値Ｖ２に加算して補正検出電圧値Ｖ２ｔｕｎをチューニングする。
次にステップＳ５０へ移り、ＣＰＵ９０１は、入力側検出電圧値Ｖ１が上記ステップＳ４５でチューニングした補正検出電圧値Ｖ２ｔｕｎと略一致するまでループ待機する。なお、上記のステップＳ４３〜ステップＳ５０の手順が、上記の充電判別処理に相当する。
次にステップＳ５５へ移り、ＣＰＵ９０１は、コンタクタ制御信号ＭＣＯＮにＯＮ出力してコンタクタＭＣを接続し、入力側直流母線１２と出力側直流母線１３を直接接続する。
次にステップＳ１０へ移り、ＣＰＵ９０１は、レディ信号ＲＤＹをＯＮ出力し、インバータ８に対し動作の許可を報知する。なお、特に図示していないが、ここで安全のためにＤＣ−ＤＣコンバータ５の通流率も０％に落とす。そして、このフローを終了する。
以上において、ステップＳ２０の手順が各請求項記載の通流率が１００％であるか否かを判定することに相当し、ステップＳ３０の手順が各請求項記載のリアクトルに流れるリアクトル電流が略０であるか否かを判定することに相当し、ステップＳ３５の手順が各請求項記載の入力側直流母線電圧と出力側直流母線電圧それぞれの検出電圧値に基づいて当該モータ制御システムにおける故障の発生を判別することに相当する。
＜本実施形態の効果＞
以上説明したように、本実施形態のモータ制御システム１は、制御装置６が、通流率が１００％であって、かつリアクトル電流検出値ＩＬが略０である際に、入力側検出電圧値Ｖ１と出力側検出電圧値Ｖ２に基づいて当該モータ制御システム１における故障の発生を判別できる。これにより、故障の有無に基づいて入力側直流母線１２と出力側直流母線１３の直接接続を行うべきか判定でき、平滑コンデンサ７への過大な突入電流の流入を回避できる。この結果、電力変換回路における堅牢性を向上できる。
また、本実施形態では特に、制御装置６が、入力側検出電圧値Ｖ１と出力側検出電圧値Ｖ２の間の検出差分値（Ｖ１−Ｖ２）が所定の許容誤差値δＶより大きい場合に、当該モータ制御システム１において故障が発生していると判別する。これにより、２つの検出電圧値Ｖ１，Ｖ２の間の差電圧に基づいて故障の発生を判別でき、確実に平滑コンデンサ７への過大な突入電流の流入を回避できる。
また、本実施形態では特に、制御装置６が、当該モータ制御システム１において故障が発生していないと判別し、かつ入力側検出電圧値Ｖ１と出力側検出電圧値Ｖ２の間の検出差分値（Ｖ１−Ｖ２）が、２つの検出電圧値Ｖ１，Ｖ２それぞれの検出誤差の間の検出相対誤差Ｖｅｒｒ以下である場合に、入力側直流母線１２と出力側直流母線１３の間を直接接続する。これにより、各電圧検出部３１，３３にそれぞれ潜在する検出誤差の影響を排除して電圧一致（差電圧が略０）を確認でき、その上で入力側直流母線１２と出力側直流母線１３を直接接続できる。すなわち上記差電圧による大きな突入電流の発生を回避し、回路への負担を抑えつつ安定した直流電力の給電が可能になる。
また、本実施形態では特に、制御装置６は、実際の入力側直流母線電圧Ｖ１ｒｅｌと出力側直流母線電圧Ｖ２ｒｅｌが略同じであると想定される際に、入力側検出電圧値Ｖ１と出力側検出電圧値Ｖ２の差分（相対誤差設定処理時のＶ１−Ｖ２）を検出相対誤差Ｖｅｒｒとして設定する。これにより、実際の入力側直流母線電圧Ｖ１ｒｅｌと出力側直流母線電圧Ｖ２ｒｅｌが確実に同じであると想定できるタイミングで適正かつ高精度に検出相対誤差Ｖｅｒｒを設定できる。
なお上述したように平滑コンデンサ充電処理と並列に実行する以外にも、実際の入力側直流母線電圧Ｖ１ｒｅｌと出力側直流母線電圧Ｖ２ｒｅｌが確実に同じであると想定できるタイミングであれば、検出相対誤差Ｖｅｒｒの設定（図６に示した相対誤差設定処理の実行）が可能である。例えば、通常運転における充電動作が正常に完了してコンタクタＭＣを接続した状態で、検出相対誤差Ｖｅｒｒを別途設定してもよい。ただし、上記図３、図５に示したように検出電圧値Ｖ１，Ｖ２の大きさに応じてそれぞれの検出誤差も変化するため、実際の入力側直流母線電圧Ｖ１ｒｅｌと出力側直流母線電圧Ｖ２ｒｅｌがそれぞれ目標電圧で一致している際に検出相対誤差Ｖｅｒｒを設定するのが望ましい。また、一度でも検出相対誤差Ｖｅｒｒの設定が完了した後には、相対誤差設定処理を繰り返して実行することなく、同じ検出相対誤差Ｖｅｒｒを利用し続けてもよい。
また、本実施形態では特に、ＤＣ−ＤＣコンバータ５は、降圧コンバータとして機能するよう、少なくとも、半導体スイッチング素子２１、リアクトル２３を配置したチョッパ回路である。これにより、通流率の経時的増加による定電流制御で円滑かつ迅速に平滑コンデンサ７の充電動作を行える。
＜変形例＞
なお、開示の実施形態は、上記に限られるものではなく、その趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。以下、そのような変形例を説明する。
図８は、ＡＣ−ＤＣコンバータ４Ａに回生機能を持たせた場合のモータ制御システム１Ａの概略的なシステム構成及び回路構成の一例を表している。この図８において、ＡＣ−ＤＣコンバータ４Ａ（回生部）は、フライホイールダイオード１４を並列接続した半導体スイッチング素子１５をブリッジ接続したスイッチング回路１６を有しており、このスイッチング回路１６の中間点が電源リアクトル４１を介して交流電源２と接続している。その他の構成については、上記実施形態と同等であるため説明を省略する。
ＡＣ−ＤＣコンバータ４Ａの各半導体スイッチング素子１５は、特に図示しない駆動制御装置によって行われる外部の交流電源２の位相に適宜合わせたＰＷＭ制御によってスイッチングされる。このＰＷＭ制御の位相の合わせ方によって、ＡＣ−ＤＣコンバータ４Ａは、交流電源２からの交流電力を直流電力に変換して入力側直流母線１２に給電する機能と、入力側直流母線１２の直流電力を交流電力に変換して交流電源２に回生する機能とを切り替えて行うことができる。なお、前者の機能についてはフライホイールダイオード１４で構成されるダイオードブリッジによっても実現される。
そして通電状態にある当該モータ制御システム１Ａを完全停止する場合には、ＡＣ−ＤＣコンバータ４Ａに回生を行わせた状態で、制御装置６がＤＣ−ＤＣコンバータ５をいわゆる昇圧コンバータとして機能させる。具体的には、コンタクタＭＣを遮断した状態で、上アームスイッチング素子ＱＨを遮断したまま下アームスイッチング素子ＱＬのみをスイッチングする。この下アームスイッチング素子ＱＬのスイッチングにおけるＰＷＭ制御の通流率を０％から経時的に増加させ、平滑コンデンサ７からの放電電流を一定に維持しつつ充電電力（充電電圧）を経時的に減少させる定電流放電制御を行う。
以上のように構成された本変形例のモータ制御システム１Ａは、入力側直流母線１２の直流電力を交流電力に変換して交流電源２に回生するＡＣ−ＤＣコンバータ４Ａを有し、ＤＣ−ＤＣコンバータ５は、昇圧コンバータとして機能するよう、少なくとも、半導体スイッチング素子２１、リアクトル２３を配置したチョッパ回路である。これにより、通流率の経時的増加による定電流制御で円滑かつ迅速に平滑コンデンサ７の放電動作を行うことができ、当該モータ制御システム１Ａを安全にシャットダウンできる。
＜制御装置のハードウェア構成例＞
次に、図９を参照しつつ、上記で説明したＣＰＵ９０１が実行するプログラムにより実装された入力側直流母線電圧検出部３１、リアクトル電流検出部３２、及び出力側直流母線電圧検出部３３等による処理を実現する制御装置６のハードウェア構成例について説明する。
図９に示すように、制御装置６は、例えば、ＣＰＵ９０１と、ＲＯＭ９０３と、ＲＡＭ９０５と、ＡＳＩＣ又はＦＰＧＡ等の特定の用途向けに構築された専用集積回路９０７と、入力装置９１３と、出力装置９１５と、記録装置９１７と、ドライブ９１９と、接続ポート９２１と、通信装置９２３とを有する。これらの構成は、バス９０９や入出力インターフェース９１１を介し相互に信号を伝達可能に接続されている。
プログラムは、例えば、ＲＯＭ９０３やＲＡＭ９０５、記録装置９１７等に記録しておくことができる。
また、プログラムは、例えば、フレキシブルディスクなどの磁気ディスク、各種のＣＤ・ＭＯディスク・ＤＶＤ等の光ディスク、半導体メモリ等のリムーバブルな記録媒体９２５に、一時的又は永続的に記録しておくこともできる。このような記録媒体９２５は、いわゆるパッケージソフトウエアとして提供することもできる。この場合、これらの記録媒体９２５に記録されたプログラムは、ドライブ９１９により読み出されて、入出力インターフェース９１１やバス９０９等を介し上記記録装置９１７に記録されてもよい。
また、プログラムは、例えば、ダウンロードサイト・他のコンピュータ・他の記録装置等（図示せず）に記録しておくこともできる。この場合、プログラムは、ＬＡＮやインターネット等のネットワークＮＷを介し転送され、通信装置９２３がこのプログラムを受信する。そして、通信装置９２３が受信したプログラムは、入出力インターフェース９１１やバス９０９等を介し上記記録装置９１７に記録されてもよい。
また、プログラムは、例えば、適宜の外部接続機器９２７に記録しておくこともできる。この場合、プログラムは、適宜の接続ポート９２１を介し転送され、入出力インターフェース９１１やバス９０９等を介し上記記録装置９１７に記録されてもよい。
そして、ＣＰＵ９０１が、上記記録装置９１７に記録されたプログラムに従い各種の処理を実行することにより、上記の入力側直流母線電圧検出部３１、リアクトル電流検出部３２、及び出力側直流母線電圧検出部３３等による処理が実現される。この際、ＣＰＵ９０１は、例えば、上記記録装置９１７からプログラムを直接読み出して実行してもよいし、ＲＡＭ９０５に一旦ロードした上で実行してもよい。更にＣＰＵ９０１は、例えば、プログラムを通信装置９２３やドライブ９１９、接続ポート９２１を介し受信する場合、受信したプログラムを記録装置９１７に記録せずに直接実行してもよい。
また、ＣＰＵ９０１は、必要に応じて、例えばマウス・キーボード・マイク（図示せず）等の入力装置９１３から入力する信号や情報に基づいて各種の処理を行ってもよい。
そして、ＣＰＵ９０１は、上記の処理を実行した結果を、例えば表示装置や音声出力装置等の出力装置９１５から出力してもよく、さらにＣＰＵ９０１は、必要に応じてこの処理結果を通信装置９２３や接続ポート９２１を介し送信してもよく、上記記録装置９１７や記録媒体９２５に記録させてもよい。
なお、以上の説明において、「垂直」「平行」「平面」等の記載がある場合には、当該記載は厳密な意味ではない。すなわち、それら「垂直」「平行」「平面」とは、設計上、製造上の公差、誤差が許容され、「実質的に垂直」「実質的に平行」「実質的に平面」という意味である。
また、以上の説明において、外観上の寸法や大きさ、形状、位置等が「同一」「同じ」「等しい」「異なる」等の記載がある場合は、当該記載は厳密な意味ではない。すなわち、それら「同一」「等しい」「異なる」とは、設計上、製造上の公差、誤差が許容され、「実質的に同一」「実質的に同じ」「実質的に等しい」「実質的に異なる」という意味である。
また、以上既に述べた以外にも、上記実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。その他、一々例示はしないが、上記実施形態や各変形例は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。
１，１Ａ モータ制御システム
２ 交流電源
３ モータ
４ ＡＣ−ＤＣコンバータ
４Ａ ＡＣ−ＤＣコンバータ（回生部）
５ ＤＣ−ＤＣコンバータ（ＤＣ−ＤＣコンバータ部）
６ 制御装置（制御部）
７ 平滑コンデンサ
８ インバータ（モータ制御部）
１１ ダイオードブリッジ
１２ 入力側直流母線
１３ 出力側直流母線
２１ 半導体スイッチング素子
２２ ダイオード
２３ リアクトル
３１ 入力側直流母線電圧検出部
３２ リアクトル電流検出部
３３ 出力側直流母線電圧検出部
３４ 電流センサ
４１ 電源リアクトル
ＭＣ コンタクタ
上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、少なくとも、半導体スイッチング素子、リアクトルを備えて入力側直流母線電圧を所定の出力側直流母線電圧に変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータ部と、前記半導体スイッチング素子の通流率を制御する制御部と、出力側直流母線間に接続される平滑コンデンサと、上位装置からの駆動指令に基づいてモータを駆動するモータ制御部と、を有するモータ制御システムであって、前記制御部は、前記通流率が１００％であって、かつ前記リアクトルに流れるリアクトル電流検出値が略０である際に行う判別で、前記入力側直流母線電圧と前記出力側直流母線電圧それぞれの検出電圧値の間の検出差分値が所定の許容誤差値より大きい場合に、当該モータ制御システムにおいて故障が発生していると判別するモータ制御システムが適用される。
また、本発明の別の観点によれば、少なくとも、半導体スイッチング素子、リアクトルを備えて入力側直流母線電圧を所定の出力側直流母線電圧に変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータ部と、前記半導体スイッチング素子の通流率を制御する制御部と、出力側直流母線間に接続される平滑コンデンサと、を有する初期充電装置であって、前記制御部は、前記通流率が１００％であって、かつ前記リアクトルに流れるリアクトル電流検出値が略０である際に行う判別で、前記入力側直流母線電圧と前記出力側直流母線電圧それぞれの検出電圧値の間の検出差分値が所定の許容誤差値より大きい場合に、当該モータ制御システムにおいて故障が発生していると判別する初期充電装置が適用される。
また、本発明の別の観点によれば、少なくとも、半導体スイッチング素子、リアクトルを備えて入力側直流母線電圧を所定の出力側直流母線電圧に変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータ部と、前記半導体スイッチング素子の通流率を制御する制御部と、出力側直流母線間に接続される平滑コンデンサと、上位装置からの駆動指令に基づいてモータを駆動するモータ制御部と、を有するモータ制御システムにおける故障検出方法であって、前記通流率が１００％であるか否かを判定することと、前記リアクトルに流れるリアクトル電流検出値が略０であるか否かを判定することと、前記通流率が１００％であって、かつ前記リアクトルに流れるリアクトル電流検出値が略０であると判定された場合に行う判別で、前記入力側直流母線電圧と前記出力側直流母線電圧それぞれの検出電圧値の間の検出差分値が所定の許容誤差値より大きい場合に、当該モータ制御システムにおいて故障が発生していると判別することを実行する故障検出方法が適用される。

Claims (8)

  1. 少なくとも、半導体スイッチング素子、リアクトルを備えて入力側直流母線電圧を所定の出力側直流母線電圧に変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータ部と、
    前記半導体スイッチング素子の通流率を制御する制御部と、
    出力側直流母線間に接続される平滑コンデンサと、
    上位装置からの駆動指令に基づいてモータを駆動するモータ制御部と、
    を有するモータ制御システムであって、
    前記制御部は、
    前記通流率が１００％であって、かつ前記リアクトルに流れるリアクトル電流検出値が略０である際に、前記入力側直流母線電圧と前記出力側直流母線電圧それぞれの検出電圧値に基づいて当該モータ制御システムにおける故障の発生を判別することを特徴とするモータ制御システム。
  2. 前記制御部は、
    前記入力側直流母線電圧と前記出力側直流母線電圧それぞれの検出電圧値の間の検出差分値が所定の許容誤差値より大きい場合に、当該モータ制御システムにおいて故障が発生していると判別することを特徴とする請求項１記載のモータ制御システム。
  3. 前記制御部は、
    当該モータ制御システムにおいて故障が発生していないと判別し、かつ前記入力側直流母線電圧と前記出力側直流母線電圧それぞれの検出電圧値の間の検出差分値が、２つの前記検出電圧値それぞれの検出誤差の間の検出相対誤差以下である場合に、前記入力側直流母線と前記出力側直流母線の間を直接接続することを特徴とする請求項２記載のモータ制御システム。
  4. 前記制御部は、
    前記入力側直流母線電圧と前記出力側直流母線電圧が略同じであると想定される際に、前記入力側直流母線電圧と前記出力側直流母線電圧それぞれの検出電圧値の差分を前記検出相対誤差として設定することを特徴とする請求項３記載のモータ制御システム。
  5. 前記ＤＣ−ＤＣコンバータ部は、
    降圧コンバータとして機能するよう、少なくとも、前記半導体スイッチング素子、前記リアクトルを配置したチョッパ回路であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のモータ制御システム。
  6. 前記入力側直流母線の直流電力を交流電力に変換して交流電源に回生する回生部を有し、
    前記ＤＣ−ＤＣコンバータ部は、
    昇圧コンバータとして機能するよう、少なくとも、前記半導体スイッチング素子、前記リアクトルを配置したチョッパ回路であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のモータ制御システム。
  7. 少なくとも、半導体スイッチング素子、リアクトルを備えて入力側直流母線電圧を所定の出力側直流母線電圧に変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータ部と、
    前記半導体スイッチング素子の通流率を制御する制御部と、
    出力側直流母線間に接続される平滑コンデンサと、
    を有する初期充電装置であって、
    前記制御部は、
    前記通流率が１００％であって、かつ前記リアクトルに流れるリアクトル電流検出値が略０である際に、前記入力側直流母線電圧と前記出力側直流母線電圧それぞれの検出電圧値に基づいて前記平滑コンデンサの初期充電完了を判別することを特徴とする初期充電装置。
  8. 少なくとも、半導体スイッチング素子、リアクトルを備えて入力側直流母線電圧を所定の出力側直流母線電圧に変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータ部と、前記半導体スイッチング素子の通流率を制御する制御部と、前記出力側直流母線間に接続される平滑コンデンサと、上位装置からの駆動指令に基づいてモータを駆動するモータ制御部と、を有するモータ制御システムにおける故障検出方法であって、
    前記通流率が１００％であるか否かを判定することと、
    前記リアクトルに流れるリアクトル電流検出値が略０であるか否かを判定することと、
    前記通流率が１００％であって、かつ前記リアクトルに流れるリアクトル電流検出値が略０であると判定された場合に、前記入力側直流母線電圧と前記出力側直流母線電圧それぞれの検出電圧値に基づいて当該モータ制御システムにおける故障の発生を判別すること
    を実行することを特徴とする故障検出方法。
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