JP2019118243A - モータ制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】コンデンサの数を低減させることができ、モータの小型化に寄与することができるモータ制御装置を提供する。【解決手段】モータ制御装置は、外部から供給される電源電圧を昇圧する昇圧回路２３と、昇圧回路２３の出力電圧を平滑化するコンデンサ２２と、コンデンサ２２によって平滑化された昇圧回路２３の出力電圧をスイッチングしてモータの駆動電圧を生成するインバータ回路２１と、を備える。制御部２１ｂは、昇圧回路２３とインバータ回路２１の間の距離を、寄生インダクタンスが所定値以下になる距離となるように、昇圧回路２３をバイパスさせて電源電圧をインバータ回路２１に供給させる。【選択図】図２

Description

本発明は、モータの駆動制御を行うモータ制御装置に関する。
車両等の動力となるモータの駆動電力をインバータ回路を用いて制御する技術が知られている。
例えば特許文献１には、電源電圧を昇圧する昇圧コンバータを備え、ユーザの加速要求度に応じて昇圧動作を行う運転領域を設定する技術が開示されている。
特開２０１０−１３０８０７号公報
しかしながら、特許文献１に開示された技術では、昇圧回路の前後に電圧を平滑化するコンデンサを必要としている。また、昇圧回路とインバータの配置によっては、インバータの入力電圧を平滑化するコンデンサがさらに必要になるが、特許文献１に開示された技術では考慮されていない。このため、制御装置を含めたモータの小型化の観点では改善の余地があった。
上述の課題に鑑み、本発明は、昇圧回路とインバータ回路の電圧を平滑化するコンデンサの数を低減させることができ、モータの小型化に寄与することができるモータ制御装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明に係るモータ制御装置のある態様によれば、外部から供給される電源電圧を昇圧する昇圧回路と、昇圧回路の出力電圧を平滑化するコンデンサと、前記コンデンサによって平滑化された昇圧回路の出力電圧をスイッチングしてモータの駆動電圧を生成するインバータ回路と、前記昇圧回路をバイパスさせて前記電源電圧を前記インバータ回路に供給させる制御部と、を備え、前記昇圧回路と前記インバータ回路の間の距離を、寄生インダクタンスが所定値以下になる距離とした、ことを特徴とするモータ制御装置が提供される。
以上の構成を有する本発明によれば、昇圧回路とインバータ回路の間の距離を、寄生インダクタンスが所定値以下になる距離とすることにより、昇圧回路とインバータ回路の電圧を平滑化するコンデンサを共通とすることができる。これにより、コンデンサの数を低減させることができ、モータの小型化に寄与することができる。
本発明の実施形態に係るモータ制御装置の構成例を示すブロック図である。 昇圧回路とインバータの構成例を示す回路図である。 モータの消費電力とモータの回転数ＮとトルクＴとの関係を示す図である。 モータの構成例を示す垂直断面図である。 モータの構成例を示す水平断面図である。 昇圧回路とＩＧＢＴの間の伝送線路の等価回路の例を図である。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための実施形態について詳細に説明する。
＜実施形態＞
図１は、実施形態に係るモータ制御装置の構成例を示すブロック図である。
このモータ制御装置は、モータの動作を制御するモータコントローラ２と、車両等の速度、加速度、アクセル開度等の車両の状態に応じてトルク指示値（トルク指令）をモータコントローラ２に供給するＶＣＵ（Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ：車両制御装置）３と、モータのステータ３０に設けられた界磁コイル３１ｕ、３１ｖ、３１ｗに駆動電圧を供給するインバータ２１と、インバータ２１に供給する電源電圧を平滑化するコンデンサ２２と、インバータ２１からの指示（要求電圧）に応じてバッテリ４から供給される電源電圧を昇圧する昇圧回路２３と、モータの周囲の温度等を検出する温度センサ６とを備えている。
昇圧回路２３とインバータ２１の間の距離は、昇圧回路２３の出力電圧をインバータ２１に供給する供給経路の寄生インダクタンスが所定の値以下となるように設定している。これにより、昇圧回路２３とインバータ２１の電圧を平滑化するコンデンサ２２を共通とすることができる。したがって、コンデンサの数を低減させることができ、モータの小型化に寄与することができる。また、コンデンサ２２は、昇圧回路２３の出力電圧を平滑化するコンデンサとインバータ２１の入力電圧を平滑化するコンデンサと共通化している。このコンデンサ２２の容量の値は、昇圧回路２３からインバータ２１に供給される電圧のリップル率が所定の値以下となるように設定している。コンデンサ２２のサイズは、容量に応じて大きくなるため、容量の値をこのように設定することにより、コンデンサの容量を必要以上に大きくすることがなく、モータの小型化に寄与することができる。
インバータ２１は、昇圧回路２３からコンデンサ２２を介して供給された電圧をスイッチングして、界磁コイル３１ｕ、３１ｖ、３１ｗに供給する三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の駆動電圧を生成するＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ）モジュール（以下、単にＩＧＢＴという）２１ａと、インバータ２１全体の制御を行う制御部２１ｂと、ＩＧＢＴ２１ａ等の温度を検出する温度センサ２１ｃを備えている。
また、ＩＧＢＴ２１ａは、三相の駆動電圧を生成するため、例えば図２に示すように、３組６個のスイッチング素子（ＩＧＢＴ素子）Ｔｒｕ１、Ｔｒｕ２、Ｔｒｖ１、Ｔｒｖ２、Ｔｒｗ１、Ｔｒｗ２を備えている。なお、ＩＧＢＴ素子の代わりにＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のスイッチング素子を用いてもよい。各スイッチング素子Ｔｒｕ１、Ｔｒｕ２、Ｔｒｖ１、Ｔｒｖ２、Ｔｒｗ１、Ｔｒｗ２には、減速時等に界磁コイル３１ｕ、３１ｖ、３１ｗから供給される回生電流をコンデンサ２２を介して昇圧回路２３に供給する回生ダイオードＤｕ１、Ｄｕ２、Ｄｖ１、Ｄｖ２、Ｄｗ１、Ｄｗ２が接続されている。また、制御部２１ｂは、昇圧回路２３に、要求電圧を供給する。
昇圧回路２３は、チョッパ形の昇圧回路であり、昇圧回路２３全体の制御を行う制御部ｃｔｒｌと、電源コネクタ２５を介してバッテリ４から電源電圧が供給されるリアクトル２３ａと、リアクトル２３ａからの電圧のスイッチングを行うスイッチング素子Ｔｒ１、Ｔｒ２と、電源電圧をバイパスして出力するためのスイッチング素子Ｔｒ１１、Ｔｒ１２とを備えている。各スイッチング素子Ｔｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ１１、Ｔｒ１２には、回生ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ１１、Ｄ１２が接続されている。また、各スイッチング素子Ｔｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ１１、Ｔｒ１２、制御部ｃｔｒｌ等は回路基板２３ｂに実装されている。スイッチング素子Ｔｒ１２のソースの接続先（すなわち、電源電圧のバイパス先）は、昇圧回路２３とコンデンサ２２の間であればよいが、図２に示すように、昇圧回路２３の内部で、スイッチング素子Ｔｒ１のソース（すなわち、昇圧した電圧の出力側）とすることが好ましい。回路基板２３ｂ内で配線を行えば、寄生インダクタンスの影響が少ないためである。
ＶＣＵ３は、現在のアクセル開度、車両速度、加速あるいは減速の際の加速度等の車両の状態に応じて必要なトルクの値を示すトルク指令を生成し、モータコントローラ２に供給する。モータコントローラ２は、供給されたトルク指令に応じて制御部２１ｂの動作を制御する。
制御部２１ｂは、例えばモータに設けられた位置センサ３２の検出電圧を所定の基準電圧と比較し、比較結果に応じて、モータのロータの角度を検出する。また、制御部２１ｂは位置センサ３２の検出電圧に基づいてモータの回転数を検出する。なお、モータの回転数は位置センサ３２とは別のセンサを用いて検出するようにしてもよい。
モータコントローラ２は、ＶＣＵ３からのトルク指令に従い、モータを駆動するために必要な必要電力を算出する。モータの回転数ＮとトルクＴとの関係は、例えば図３に示すように、モータの消費電力に応じて変化する。モータの回転数ＮとトルクＴとの関係は、例えば、消費電力が６０ｋＷのときは同図中の実線のようになるが、消費電力が８０ｋＷ、１００ｋＷ、１２０ｋＷのときは夫々破線で示すようになる。このため、モータコントローラ２は、このような関係に基づいて、トルク指令とモータの回転数に応じて、必要なトルクが得られる消費電力を必要電力として算出し、制御部２１ｂの動作を制御する。制御部２１ｂは、モータコントローラ２からの制御に応じて、モータの駆動に必要な電圧値と電流値を算出する。なお、必要電力が所定の閾値以下である場合は、制御部２１ｂは、電圧値をバッテリ４の電源電圧（ＶBATT）とする。また、制御部２１ｂは、算出した電圧値を要求電圧として昇圧回路２３の制御部ｃｔｒｌに供給する。
昇圧回路２３の制御部ｃｔｒｌは、制御部２１ｂからの要求電圧に応じてバッテリ４の電源電圧（ＶBATT）から所定の昇圧比で昇圧した電圧Ｖをインバータ２１に供給する。具体的には、制御部ｃｔｒｌは、要求電圧に応じてスイッチング素子Ｔｒ１、Ｔｒ２のオンオフを制御してバッテリ４の電源電圧（ＶBATT）を昇圧する。なお、要求電圧がバッテリ４の電源電圧（ＶBATT）である場合には、制御部ｃｔｒｌは、スイッチング素子Ｔｒ１１、Ｔｒ１２をオン状態とし、スイッチング素子Ｔｒ１、Ｔｒ２をオフ状態とする。これにより、バッテリ４の電源電圧（ＶBATT）がそのままコンデンサ２２を介してインバータ２１に供給される。必要電力は上述のトルク指示値に応じて算出されているため、換言すると、制御部２１ｂは、トルク指示値が所定の閾値以下の場合に、バッテリ４の電源電圧（ＶBATT）をバイパスさせてインバータ２１に供給させる。これにより、トルク指示値が所定の閾値以下の場合には、電源電圧の昇圧を行わないため、リアクトル２３ａ、スイッチング素子Ｔｒ１、Ｔｒ２等の発熱を低減させることができる。
制御部２１ｂは、上述のように算出した電流値に応じてＩＧＢＴ２１ａの各スイッチング素子によるスイッチングを制御し、三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の駆動電圧を生成させる。この駆動電圧は、例えば正弦波駆動の場合においてモータの界磁コイル３１（界磁コイル３１ｕ〜３１ｗ）に流れる駆動電流の実効値（以下、単に電流値という。）が所定の電流値になるようにＰＷＭ（Ｐｉｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｒａｔｉｏｎ）制御を行って生成する。制御部２１ｂは、上述の電流値に応じて駆動電圧のパルスのデューティ比を制御する。具体的には、制御部２１ｂは、電流値Ｉに応じてＰＷＭによる変調度を変更する。
ＩＧＢＴ２１ａによって生成された各相の駆動電圧はステータ３０の各界磁コイル３１ｕ〜３１ｗに供給され、各界磁コイル３１ｕ〜３１ｗには駆動電圧に応じた駆動電流が流れ、界磁コイル３１ｕ〜３１ｗによる磁界とロータの磁石との相互作用により、ロータにトルクが発生する。このトルクはモータシャフトの出力端を介して外部に出力される。
図４及び図５は、上述のモータ制御装置を用いて構成したＤＣブラシレスモータの構成例を示している。
このモータは、ハウジング１０に収容された制御回路２０と、三相の駆動電圧に応じた駆動電流によって磁界を発生する界磁コイル３１等を有するステータ３０と、回転軸を中心に回動自在に設置されたロータ４０とを備えている。なお、以下、このように制御回路２０がステータ３０とロータ４０と共にハウジング１０に収容されるモータを機電一体型モータという。
ハウジング１０の内部には、冷媒を循環させる冷媒流路１１が形成されている。冷媒流路１１を流れる冷媒の循環により、ハウジング１０を冷却し、ハウジング１０に接触しているステータ３０と制御回路２０を冷却するようになっている。また、ハウジング１０の上部には、制御回路２０を収容する収容部１２が設けられている。
また、ハウジング１０には、ステータ３０とロータ４０が収容されるモータハウスの蓋１３と、収容部１２を覆う収容部カバー１４が設けられている。モータハウス内にはロータ４０のモータシャフト４１を支えるベアリング１５、１６が取り付けられている。
制御回路２０には、上述のインバータ２１と、コンデンサ２２と、昇圧回路２３とが含まれている。インバータ２１と昇圧回路２３は、冷媒流路１１とモータの径方向に重なる位置に取り付けられている。換言すると、少なくとも、冷媒流路１１は、インバータ２１及び昇圧回路２３と、ロータ４０の回転中心軸（モータシャフト４１）から離れる方向すなわちモータの径方向（図４、図５のＺ方向）に重なる位置に設けられている。これにより、モータシャフト４１の中心軸の先に冷媒流路１１を設ける必要がなく、ロータ４０の回転中心軸（モータシャフト４１の中心軸）方向の小型化に寄与することができる。
上述のように、昇圧回路２３とインバータ２１の間の距離は、昇圧回路の出力電圧をインバータに供給する供給経路の寄生インダクタンスが所定の値以下となるように設定している。図６は、昇圧回路２３の回路基板２３ｂとＩＧＢＴ２１ａの間の供給経路の等価回路の例を示している。
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４は、回路基板２３ｂとＩＧＢＴ２１ａの間の伝送線路（配線）の寄生インダクタンスを示している。
寄生インダクタンスの両端のリップル電圧ＶLは、以下の式（１）で求められる。
Figure 2019118243
 ここで、Ｌは寄生インダクタンス、ｄｉ／ｄｔは、電流のＩＧＢＴ２１ａに流れる電流の変化率である。寄生インダクタンスの値は、例えば１ｃｍ当たり１０ｎＨである。また、電流の変化率は、例えば１００Ａ／μｓである。従って、回路基板２３ｂとＩＧＢＴ２１ａの間の配線の距離１ｃｍ当たり１Ｖのリップル電圧が発生する。
このため、コンデンサ２２の容量とインバータ２１の動作との関係で、許容できるリップル電圧を決定し、決定したリップル電圧から、許容できる寄生インダクタンスの値を求め、回路基板２３ｂとＩＧＢＴ２１ａの間の距離を決定する。これにより、昇圧回路２３とインバータ２１の間の距離を、寄生インダクタンスが所定値以下になる距離とする。このような距離とすることにより、昇圧回路２３の出力電圧を平滑化するコンデンサとインバータ２１の入力電圧を平滑化するコンデンサを共通のコンデンサ２２とすることができる。
＜変形例＞
なお、上述の実施形態では、正弦波駆動によりモータの駆動電圧を生成していたが、正弦波駆動の代わりに矩形波駆動によって駆動電圧を生成するようにしてもよい。
また、上述の実施形態では、ＤＣブラシレスモータの駆動制御を行う場合について説明したが、インバータを用いて３相同期モータ等の駆動制御を行う場合についても本発明を適用することができる。
１０…ハウジング、１１…冷媒流路、１２…収容部、２０…制御回路、２１…インバータ、２１ａ…ＩＧＢＴ、２１ｂ…制御部 、２２…コンデンサ、２３…昇圧回路、２３ａ…リアクトル、２３ｂ…回路基板、３０…ステータ、３１…界磁コイル、４０…ロータ、４１…モータシャフト

Claims (5)

  1. 外部から供給される電源電圧を昇圧する昇圧回路と、
    昇圧回路の出力電圧を平滑化するコンデンサと、
    前記コンデンサによって平滑化された昇圧回路の出力電圧をスイッチングしてモータの駆動電圧を生成するインバータ回路と、
    前記昇圧回路をバイパスさせて前記電源電圧を前記インバータ回路に供給させる制御部と、を備え、
    前記昇圧回路と前記インバータ回路の間の距離を、寄生インダクタンスが所定値以下になる距離とした、
    ことを特徴とするモータ制御装置。
  2. 前記制御部は、
    前記電源電圧を前記コンデンサと昇圧回路の間にバイパスさせるスイッチング素子を、
    備えることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
  3. 前記コンデンサの容量を、
    前記昇圧回路から前記インバータ回路に供給される電圧のリップル率が所定の値以下となるようにした、
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ制御装置。
  4. 界磁コイルを有するステータと、回転中心軸を中心に回動自在に設けられたロータを収容するハウジングを備え、
    前記ハウジングは、前記昇圧回路と前記コンデンサと前記インバータ回路を収容する収容部を有する、
    ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
  5. 前記制御部は、
    外部から供給されるトルク指示値が所定の閾値以下の場合に、前記電源電圧をバイパスさせて前記インバータ回路に供給させる、
    ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
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