JPWO2017126261A1 - 直流電流センサ、交流電流センサ及びこれらを有するインバータ - Google Patents

直流電流センサ、交流電流センサ及びこれらを有するインバータ Download PDF

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Abstract

電流センサの良否判断を精度良く行うと共に、サイズとコストを低減した電流センサと、この電流センサを有するインバータを提供する。
固定子の巻線を相毎に独立した巻線を有しかつ各々の独立巻線に個別に電圧が印加される交流モータ２００を駆動する複数のインバータ３００，３０１に供給される直流電流を検出する直流電流センサ３８０において、複数のインバータは各Ｐ母線を繋ぐＰ渡り線１５０と、各Ｎ母線を繋ぐＮ渡り線１６０と、を有し、直流電流センサ３８０はＰ渡り線とＮ渡り線を囲むコアを有し、P母線とN母線に出入りする電流をまとめて検出することで、小さい容量の電流センサを採用でき、センサ精度を改善し、電流センサの良否判断を精度良く行うことができる。

Description

本発明は、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）に用いられるモータに供給される電流を検出する直流電流センサ、交流電流センサ及びこれらを有するインバータに関し、特に、モータのステータの電機子巻線が各相で独立した構成となっている永久磁石同期モータを駆動する電動機駆動装置に最適な直流電流センサ、交流電流センサ及びインバータに関する。
ハイブリッド車や電気自動車などでは、搭載するバッテリ量に限界がある。モータを駆動するための電圧はバッテリの直列数や充電状態に応じた限界値がある。さらにハイブリッド車や電気自動車を走行させるモータは永久磁石同期モータ主流であり、低速大トルク、かつ、広範囲な回転速度領域という要求を満たすことができる埋込み磁石モータ（ＩＰＭ）が利用されている。
永久磁石同期モータはロータに取付けられた永久磁石の磁束が電機子巻線に鎖交することで電機子巻線に誘起電圧が発生する。高回転になると誘起電圧が大きくなるため、モータ駆動装置はこの誘起電圧を抑制しながら、必要なトルクを発生させるようにモータに流す電流の制御を行う必要があり、バッテリの直流電圧によって動作の限界が決まってしまう。
バッテリの直流電圧が限定されたときに、モータへのＡＣ電圧をより高めるため、各相のモータ固定子の巻線が互いに独立した独立巻線となっているオープン巻線型モータの駆動装置が知られている。オープン巻線型モータの駆動装置は出力の大容量化が可能である。
また、モータ駆動装置に用いる電流センサの良否判定の手法として３つのＡＣ電流の検出値の総和をもって判定する手法が知られている（特許文献１）。この手法はキルヒホッフの法則、即ち回路に出入りする電流の総和がゼロになる法則に基づく。
特開平９−２３５０１号公報
先行技術を示す図１に示した電動機駆動装置の配線図に基づき、オープン巻線型モータの駆動装置について説明する。図１は、電動機駆動装置における電流センサの診断原理の説明に供するものである。
電動機駆動装置は、３相インバータ３００からモータ２００に流れたＡＣ電流がもう一つの３相インバータ３０１に入ると共に、Ｐ母線とＮ母線を接続する渡り線３４０，３６０，３５０，３７０を介して母線電流のやり取りを行う。従って、３つのＡＣ電流の検出値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗのみでは、電流センサの良否を判断できない。回路に出入りする電流の総和をとらえるために、３つのＡＣ電流の他に、Ｐ母線とＮ母線に出入りする電流の検出も必要となる。
Ｐ母線渡り線３４０を流れる電流をＩｄＬ１母線渡り線３６０を流れる電流をＩｄＲ１、Ｎ母線渡り線３５０を流れる電流をＩｄＬ２、Ｎ母線渡り線３７０を流れる電流をＩｄＲ２とする。
以上のもと、下記の数式（１）、（２）が成り立つため、（Iu+Iv+Iw）は基本ゼロではない。
Figure 2017126261
Figure 2017126261
数式（１）または数式（２）に記載のすべての電流を検出して総和を求めた上、センサ精度と検出タイミングずれを考慮に入れた閾値に電流の総和が入っている場合、すべての電流センサを良と判断する。電流の総和が閾値を超えた場合、いずれかの電流センサが否であると判断する。また、一般にモータの０軸電流を数式（３）にて定義するため、数式（１）と（２）と合わせて数式（４）となる。
Figure 2017126261
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結果、（Iu+Iv+Iw）でもモータ０軸電流を得ると共に、(IdL1+IdL2)、若しくは、(IdR1+IdR2)を検出することでモータの０軸電流を得ることができる。以下、(IdL1+IdL2)の組を用いて説明する。
本発明の課題は、精度良く電流センサの良否を判断することにある。IdL1はモータ０軸電流の一部と直流電源由来の電流から成る。IdL2はモータ０軸電流の残りと直流電源由来の電流の反極性からなる。式を明示すると数式（５）、（６）、（７）となる。
Figure 2017126261
Figure 2017126261
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この２つの電流を検出するには、比較的大きい容量の電流センサを２個用意する必要がある。電流センサの精度は割合で指定されるため、大きい電流を検出すると精度が悪化する。これを受けて電流センサの良否判定の精度が悪化する。
また、本発明の他の課題は、サイズとコストである。電動機駆動装置のサイズをコンパクトにするためには、電流センサの数は少ない方が良いし、コスト視点でも電流センサの数は少ない方が良い。
本発明に係る直流電流センサは、固定子の巻線が相毎に独立した独立巻線を有しかつ各々の独立巻線に個別に電圧が印加される交流モータを駆動する複数のインバータに供給される直流電流を検出する直流電流センサであって、前記複数のインバータは、該複数のインバータの各Ｐ母線を繋ぐＰ渡り線と、前記複数のインバータの各Ｎ母線を繋ぐＮ渡り線と、を有し、前記直流電流センサは、前記Ｐ渡り線と前記Ｎ渡り線を囲むコアを有することを特徴とする。
本発明によれば、(IdL1,IdL2)の組をまとめて１つの電流センサで検出するので、直流電源由来の電流を相殺し、０軸電流のみを得ることができる。
別の手段として、数式（３）、（４）によれば、(IdL1,IdL2)を検出することと、(Iu+Iv+Iw)を検出することは等価である。したがって、３つのAC電流をまとめて１つの電流センサで検出する構成としてもよい。
本発明によれば、電流センサの容量も０軸電流に見合った容量でよく、交流モータを駆動する直流電流を精度良く検出できる。従って、電流センサの良否判定が精度良くできる。また、電流センサの数を２個から１個にできるので、電動機駆動装置のサイズをコンパクトにでき、かつ、コストを減らすことができる。本発明の別の効果は、０軸電流を精度良く検出できることで、０軸電流の制御を精度良くできる点にある。
従来の電動機駆動装置の配線図。 本発明の実施例１に係る電動機駆動装置の配線図。 本発明の実施例２に係る電動機駆動装置の配線図。 本発明の実施例３に係る電動機駆動装置の配線図。 電流センサの具体例を示す斜視図。
［実施例１］
（システム構成）
図２は、本発明の実施例１に係る電動機駆動装置の配線図であり、実施例１におけるキルヒホッフの法則を成立させる電流検出位置の説明に供するものである。
実施例１にかかる電動機駆動装置は、オープン巻線型モータの駆動装置であり、バッテリ１００と、オープン巻線型モータ２００と、２つの３相インバータ３００、３０１を有している。
バッテリ１００は、プラス側直流パワーケーブル１１０を介して、P母線渡り線１３０、１５０に接続される。同じくバッテリ１００は、マイナス側直流パワーケーブル１２０を介して、N母線渡り線１４０、１６０に接続される。P母線渡り線１３０とN母線渡り線１４０は、３相インバータ３００のP母線とN母線に接続する。P母線渡り線１５０とN母線渡り線１６０は、３相インバータ３０１のP母線とN母線に接続する。以上の接続により、バッテリ１００と３相インバータ３００、３０１は、直流電力をやり取りする。
３相インバータ３００とオープン巻線型モータ（交流モータ）２００は接続し、AC電力をやり取りする。同じく、３相インバータ３０１とオープン巻線型モータ２００は接続し、AC電力をやり取りする。このように、３相インバータ３００，３０１は直流電流を交流電流に変換するスイッチング回路部を備えている。
オープン巻線型モータ２００は、図示しない機械出力軸を介し、外部と機械出力をやり取りする。また、オープン巻線型モータ２００は図示しない回転角度センサを備える。３相インバータ３００とオープン巻線型モータ２００との間には、３つのAC電流センサ（交流電流センサ）３１０、３２０、３３０を備え、各相のAC電流（Ｉｕ，Ｉｖ、Ｉｗ）を検出する。
P母線渡り線１３０とN母線渡り線１４０は一部が近接配置され、ＤＣ電流センサ（直流電流センサ）３８０にてP母線渡り線１３０とN母線渡り線１４０に流れる電流(IdL1,IdL2)をまとめて検出する。具体的には、図５に示す如く、ＤＣ電流センサ３８０の中に内蔵
するコアを貫通するようにＰ母線渡り線１３０とＮ母線渡り線１５０を配置することでIdL1とIdL2の和を得ることができる。
（原理）
上記の４つのセンサ３１０，３２０，３３０，３８０によって、３相インバータ３００から流れる５つの電流の総和値を検出できる。キルヒホッフの法則により数式（１）が使える。各々の電流センサの誤差と検出タイミングずれによって生じる検出誤差を考慮した閾値に対し、Iu+Iv+Iw+(IdL1+IdL2)を評価し、５つの電流の総和値の絶対値が閾値を下回った場合、すべての電流センサが良と判断する。５つの電流の総和値の絶対値が閾値を超えた場合、いずれかの電流センサが否と判断する。
図２に示す電動機駆動装置は、３相インバータ３００，３０１とＤＣ電流センサ３８０とを有して構成され、交流モータ２００を駆動するものである。そして、ＤＣ電流センサ３８０の出力情報とＡＣ電流センサ３１０，３２０，３３０からの出力信号に基づいて、ＤＣ電流センサ及び／又はＡＣ電流センサの故障の診断を行う診断部を有している。３相インバータ３００，３０１は、直流電流を交流電流に変換するスイッチング回路部を備え、ＤＣ電流センサ３８０の出力情報に基づいてＰ母線渡り線１３０の０相電流と、Ｎ母線渡り線１４０の０相電流との誤差を抑制するようにスイッチング回路部を制御する制御部として機能している。
ここで、(IdL1,IdL2)をまとめて検出する構成としたため、先に説明した如くバッテリ（直流電源）由来の電流は相殺しており、０軸電流の√３倍に見合った電流容量の電流センサとでき、バッテリ（直流電源）由来の電流を加味した大きめの電流センサを使う必要はない。よって、(IdL1+IdL2)の検出誤差は、２つの電流センサで個別に２つの電流を検出した場合に比べて小さくなる。これを受けて、上記の閾値を下げることができ、電流センサの良否判定の精度を向上できる。また、直流電流を計測する電流センサを２個から１個にできるため、駆動装置のサイズをコンパクトにでき、かつ、コストも減らすことができる。
また、(IdL1+IdL2)に係数を掛けることで０軸電流を検出できる。３つのAC電流Iu,Iv,Iwを個別に検出してその総和から０軸電流を求める場合、３つの電流センサの誤差に電流の検出タイミングずれによる誤差が加わり精度が悪い。本発明の構成で０軸電流の誤差は１つの電流センサの誤差で管理できて、０軸電流の精度を向上できる。この検出値を制御に使うことで、０軸電流を精度良く制御できる。
［実施例２］
図３は、本発明の実施例２に係る電動機駆動装置の配線図である。実施例１との違いは、ＤＣ電流センサ３８０が無く、代わりにP母線渡り線１５０とN母線渡り線１６０は一部が近接配置され、ＤＣ電流センサ３９０にてP母線渡り線１５０とN母線渡り線１６０に流れる電流(IdR1,IdR2)をまとめて検出する点にある。ＤＣ電流センサ３９０は、Ｐ母線渡
り線１５０とＮ母線渡り線１６０を囲むコアを有している。
オープン巻線型モータ２００と３相インバータ３０１を一つの回路と扱い、この回路に流れ込む５つ電流の総和値を検出していることになるので、同じくキルヒホッフの法則が使える。上記した構成以外の説明は実施例１と同じになるので、その詳細な説明は省略する。
図３に示す電動機駆動装置は、３相インバータ３００，３０１とＤＣ電流センサ３９０とを有して構成され、交流モータ２００を駆動するもので、ＤＣ電流センサ３９０からの出力情報と、各相のＡＣ電流センサ３１０，３２０，３３０からの出力信号に基づいて、ＤＣ電流センサ３９５及び／又はＡＣ電流センサ３１０，３２０，３３０の故障を診断することができる。また、３相インバータ３００，３０１は、直流電流を交流電流に変換するスイッチング回路部を備え、ＤＣ電流センサ３９０の出力情報に基づいて、０相電流の誤差を抑制するようにスイッチング回路部を制御している。
［実施例３］
図４は、本発明の実施例３に係る電動機駆動装置の配線図である。実施例１との違いは、ＤＣ電流センサ３８０が無く、代わりにＡＣ電流センサ３９５にて３つのAC電流値をまとめて検出する点にある。この検出値(IdAll)は、(IdL1+IdL2)と等価である。上記した構成以外の説明は実施例１と同じになるので、その詳細な説明は省略する。ＡＣ電流センサ３９５は、交流モータ２００の各相の電流を流す３本の交流電線の全てを囲むコアを有している。
そして、図４に示す電動機駆動装置は、３相インバータ３００，３０１とＡＣ電流センサ３９５とを有して構成され、交流モータ２００を駆動するもので、ＡＣ電流センサ３９５からの出力情報と、各相のＡＣ電流センサ３１０，３２０，３３０からの出力信号に基づいて、前記ＡＣ電流センサ３９５及び／又はＡＣ電流センサ３１０，３２０，３３０の故障を診断することができる。また、３相インバータ３００，３０１は、直流電流を交流電流に変換するスイッチング回路部を備え、ＡＣ電流センサ３９５の出力情報に基づいて、０相電流の誤差を抑制するようにスイッチング回路部を制御している。
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１００ バッテリ（直流電源）
１１０ プラス側直流パワーケーブル
１２０ マイナス側直流パワーケーブル
１３０，１５０ P母線渡り線（Ｐ渡り線）
１４０，１６０ N母線渡り線（Ｎ渡り線）
２００ オープン巻線型モータ（交流モータ）
３００，３０１ ３相インバータ
３１０，３２０，３３０ それぞれU相V相W相用AC電流センサ
３４０，３６０ P母線に出入りする電流を検出する電流センサ
３５０，３７０ N母線に出入りする電流を検出する電流センサ
３８０，３９０ P母線とN母線に出入りする電流をまとめて検出する電流センサ
３９５ AC電流をまとめて検出する電流センサ

Claims (7)

  1. 固定子の巻線が相毎に独立した独立巻線を有しかつ各々の独立巻線に個別に電圧が印加される交流モータを駆動する複数のインバータに供給される直流電流を検出する直流電流センサであって、
    前記複数のインバータは、該複数のインバータの各Ｐ母線を繋ぐＰ渡り線と、前記複数のインバータの各Ｎ母線を繋ぐＮ渡り線と、を有し、
    前記直流電流センサは、前記Ｐ渡り線と前記Ｎ渡り線を囲むコアを有する直流電流センサ。
  2. 請求項１に記載の直流電流センサであって、
    前記Ｐ渡り線の０相電流と前記Ｎ渡り線の０相電流を含んだ情報を出力する直流電流センサ。
  3. 請求項１又は２に記載の直流電流センサを有するインバータであって、
    各々の巻線に流れる交流電流を検出する交流電流センサと、
    前記直流電流センサからの出力情報と前記交流電流センサからの出力信号に基づいて該直流電流センサ及び／又は該交流電流センサの故障の診断を行う診断部と、を備えるインバータ。
  4. 請求項２に記載の直流電流センサを有するインバータであって、
    前記直流電流を前記交流電流に変換するスイッチング回路部と、
    前記直流電流センサの出力情報に基づいて、前記０相電流を抑制するように前記スイッチング回路部を制御する制御部と、を備えるインバータ。
  5. 固定子の巻線を相毎に独立した巻線を有しかつ各々の独立巻線に個別に電圧が印加される交流モータの各相に流れる交流電流を検出する交流電流センサであって、
    前記交流モータの前記各相の電流を流す各交流電線の全てを囲むコアを有する交流電流センサ。
  6. 請求項５に記載の交流電流センサを有するインバータであって、
    前記各交流電線のそれぞれを囲む複数の各相交流電流センサと、
    前記交流電流センサからの出力情報と前記各相交流電流センサからの出力信号に基づいて該交流電流センサ及び／又は該各相交流電流センサの故障の診断を行う診断部と、を備えるインバータ。
  7. 請求項５に記載の交流電流センサを有するインバータであって、
    前記直流電流を前記交流電流に変換するスイッチング回路部と、
    前記交流電流センサの出力情報に基づいて、前記０相電流を抑制するように前記スイッチング回路部を制御する制御部と、を備えるインバータ。
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