JP6607016B2

JP6607016B2 - モータ制御装置

Info

Publication number: JP6607016B2
Application number: JP2015242264A
Authority: JP
Inventors: 美里前田
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2015-12-11
Filing date: 2015-12-11
Publication date: 2019-11-20
Anticipated expiration: 2035-12-11
Also published as: JP2017108580A

Description

本発明は、モータが空転状態であるか否かを判定することが可能なモータ制御装置に関する。

従来、電気エネルギーにより動力を得る技術の一つとしてモータが利用されてきた。このようなモータは、負荷の状態によって空転状態となる時がある。このような空転状態を検出する技術として例えば特許文献１に記載のものがある。

特許文献１に記載の電動オイルポンプの制御装置は、オイルの温度に応じて電動オイルポンプの回転数を所定の判定用目標回転数に設定し、実際の回転数と当該判定用目標回転数との差に基づいてモータが空転しているか否かを判定する。この時、オイルの温度が所定値以下の場合には、通常時と空転時とのモータの回転数の差を拡大するように制御し、オイルの温度が所定値より高い場合には、通常時と空転時とのモータの相電流との差が拡大するように制御して判定する。これにより、オイル粘性が増大する低温時には、通常時にはポンプ負荷の増大が抑制されて、実際の回転数が目標回転数に追従せず、目標回転数との差が拡大するが、空回り発生時には実際の回転数が目標回転数に追従するので、空回りの発生が判定可能となる。一方、高温時には、出力トルクの違いに応じて通常時と空転時とで相電流が異なるので、この差を顕著するように制御することで空回りの発生が判定可能となる。

特開２０１２−１９７７１５号公報

特許文献１に記載の技術は、モータの回転数とモータの相電流とに基づいてモータが空転しているか否かを判定しているが、回転センサや電流センサが必要となりコストアップの要因となる。

そこで、安価な構成でモータが空転しているか否かを判定することが可能なモータ制御装置が求められる。

本発明に係るモータ制御装置の特徴構成は、三相モータを駆動するインバータのスイッチング素子をＤＵＴＹ制御する制御部から相切り替えのタイミングを規定する切替情報を取得する切替情報取得部と、前記切替情報に基づいて、前記三相モータのコイルに蓄えられたエネルギーが放出される時間を回生時間として演算する回生時間演算部と、前記制御部から前記ＤＵＴＹ制御に係るオンＤＵＴＹを規定するＤＵＴＹ情報を取得するＤＵＴＹ情報取得部と、前記回生時間と前記オンＤＵＴＹとにより設定された判定閾値に基づいて前記三相モータが空転状態であるか否かを判定する空転状態判定部と、を備えている点にある。

三相モータは空転状態となった時には、それまでの回転数に対して急に回転数が増加するが、空転状態に拘らず、負荷が急に軽くなった時にも回転数が増加することがある。このため、回転数だけで三相モータが空転状態であるか否かを判定することは容易ではない。そこで、本構成とすれば、相切り替えのタイミングを規定する切替情報を取得した時に演算する回生時間と、ＤＵＴＹ情報により示されるオンＤＵＴＹとにより三相モータが空転状態であるか否かを判定する際に用いられる判定閾値を設定し、当該判定閾値に基づいて空転状態であるか否かを判定するので、容易に、且つ、安価に判定することが可能となる。

また、前記回生時間演算部は、前記三相モータの誘起電圧の時間微分値が正である時点の前記回生時間を演算すると好適である。

このような構成とすれば、オンＤＵＴＹを基準に回生時間を演算することができる。したがって、相切り替えのタイミングを元に、回生時間を正確に演算することができる。

また、前記回生時間演算部は、前記三相モータの誘起電圧の時間微分値が負である時点の前記回生時間を演算すると好適である。

このような構成とすれば、オフＤＵＴＹを基準に回生時間を演算することができる。したがって、例えばオンＤＵＴＹが小さい場合には大きいオフＤＵＴＹを元に、相切り替えのタイミングで回生時間を演算することができるので、適切に回生時間の演算を行うことができる。

また、前記スイッチング素子が実装される基板の環境温度を検出する温度検出部を備え、前記判定閾値が前記環境温度に基づいて設定されると好適である。

スイッチング素子は環境温度に応じて許容電流や電気的特性が異なる。したがって、このような構成とすれば、スイッチング素子の温度に応じて三相モータが空転状態であるか否かを判定することができる。

モータ制御装置の構成を模式的に示すブロック図である。誘起電力波形を示す図である。相電圧波形及び相電流波形を示す図である。判定閾値の一例を示す図である。判定閾値の一例を示す図である。

本発明に係るモータ制御装置は、三相モータが空転状態であるか否かを判定することが可能である。以下、本実施形態のモータ制御装置１について説明する。

図１は、本実施形態のモータ制御装置１の構成を示したブロック図である。図１に示されるように、モータ制御装置１は、切替情報取得部１１、回生時間演算部１２、ＤＵＴＹ情報取得部１３、空転状態判定部１４、温度検出部１５、マップ記憶部１６の各機能部を備えて構成され、これらの機能部は、三相モータＭが空転状態であるか否かの判定に係る処理を行うために、ＣＰＵを中核部材としてハードウェア又はソフトウェア或いはその両方で構築されている。

まず、モータ制御装置１が空転状態であるか否かを判定する三相モータＭの駆動について説明する。三相モータＭは、制御部２によりＰＷＭ制御されるインバータ３により駆動される。

インバータ３は、直流電源４から出力される直流電力を交流電力に変換して三相モータＭに供給する。直流電源４は、直流電圧（ＶＤＣ）及び直流電流からなる直流電力を出力する。インバータ３は、直流電源４と三相モータＭの間に設けられる。三相モータＭは、本実施形態ではウォーターポンプＰの動力源として用いられ、永久磁石を備えるロータと、当該ロータに回転力を与えるための磁界を発生させるステータとを備えて構成される。ステータは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相のコイル（以下「ステータコイル」とする）ＳＣを備える。各ステータコイルＳＣは、スター結線であってもデルタ結線であっても良い。図１にはデルタ結線の例が示される。インバータ３はこのような三相モータＭを制御対象とする。

インバータ３は、複数のスイッチング素子Ｑを備えて構成される。本実施形態では、スイッチング素子Ｑとして、直流電源４の正端子側に接続されたハイサイドのトランジスタＱ１、Ｑ３、Ｑ５と、直流電源４の負端子側に接続されたローサイドのトランジスタＱ２、Ｑ４、Ｑ６と、の合計６つのトランジスタＱ１〜Ｑ６が用いられる。トランジスタＱ１〜Ｑ６のソース端子とドレイン端子との間には、夫々ダイオードＤ１〜Ｄ６が配設される。

トランジスタＱ１〜Ｑ６は、制御部２により所定のデューティ比でＰＷＭ制御される。ＰＷＭ制御とは、公知のパルス幅変調（pulse width modulation）制御であるので説明は省略する。

切替情報取得部１１は、インバータ３のスイッチング素子ＱをＤＵＴＹ制御する制御部２から相切り替えのタイミングを規定する切替情報を取得する。上述したように制御部２はスイッチング素子ＱであるトランジスタＱ１〜Ｑ６をＰＷＭ制御する。この際、三相モータＭに要求される出力トルクに応じてＤＵＴＹ比が調整される。したがって、制御部２はスイッチング素子ＱをＤＵＴＹ制御することになる。

制御部２は、三相モータＭのステータコイルＳＣを流れる電流を順次、切り替えるために制御対象となるスイッチング素子Ｑを順次、切り替える。公知のように、三相モータＭに係る三相はＵ相、Ｖ相、Ｗ相であり、このような切り替えは「相切り替え」と称される。制御部２は、このような相切り替えを行った際、切替情報取得部１１に相切り替えのタイミングを規定する切替情報を伝達する。切替情報取得部１１は、取得した切替情報を後述する回生時間演算部１２に伝達する。

回生時間演算部１２は、切替情報に基づいて、三相モータＭのコイルに蓄えられたエネルギーが放出される時間を回生時間として演算する。切替情報は、上述した切替情報取得部１１から伝達される。ここで、三相モータＭは、ロータに備えられる永久磁石とステータに備えられるステータコイルＳＣとの引力及び斥力に応じて駆動される。この時、ステータコイルＳＣは、順次流れる電流が切り替えられ、エネルギーが蓄えられるが、前記引力及び斥力が発生した後でもステータコイルＳＣに蓄えられたエネルギーが残っていることがある。このようなエネルギーが上記「三相モータＭのコイルに蓄えられたエネルギー」に相当する。また、三相通電において、相切り替えが行われた際に、それまでに通電されていたステータコイルＳＣが電流を流し続けようとし、回生エネルギーが発生する。このような回生エネルギーが発生している時間を「回生時間」という。回生時間演算部１２は、取得した切替情報により、制御部２が相切り替えを行ったことを特定することが可能であるので、切替情報に基づいて回生時間を演算する。具体的には、例えば相切り替えが行われてから回生（回生エネルギーの発生）が終了するまでの時間をタイマーにより計数すると良い。

以下、具体例を挙げて説明する。図２には、三相モータＭにおける所定の１相あたりの誘起電力の波形（誘起電力波形）が示される。図２に示されるように、誘起電力は、電気角０°が正のゼロクロス点となり、１８０°が負のゼロクロス点となっている。

図３には、三相モータＭにおける所定の１相あたりの相電圧の波形（相電圧波形）及び相電流の波形（相電流波形）が示される。図３に示されるように、相電圧波形及び相電流波形にはＰＷＭ制御の電圧成分が重畳されている。

一方、回生エネルギーは三相モータＭにおいて、相切り替えが行われたタイミングで発生し、例えば相電圧波形や相電流波形において確認することができる。回生時間が生じるタイミングをＴ１及びＴ２とすると、Ｗ−Ｕ相通電、回生Ｔ１、Ｗ−Ｖ相通電、Ｕ−Ｖ相通電、Ｕ−Ｗ相通電、回生Ｔ２、Ｖ−Ｗ相通電、Ｖ−Ｕ相通電、Ｗ−Ｕ相通電、・・・、といった形態で生じる。

図３の例では、回生エネルギーはＴ１１からＴ１２の間に生じ、Ｔ１１からＴ１２の期間Ｔ１が回生時間に相当する。また、回生エネルギーはＴ２１からＴ２２の間にも生じ、Ｔ２１からＴ２２の期間Ｔ２が回生時間に相当する。このような回生時間が生じるタイミング（Ｔ１１やＴ１２）は相切り替えのタイミングにあたり、切替情報に基づき特定することが可能である。このため、回生時間演算部１２は、Ｔ１１のタイミングやＴ１２のタイミングから、次の電圧の立ち上がりや立ち下がりまでタイマーで計数すると良い。

ＤＵＴＹ情報取得部１３は、制御部２からＤＵＴＹ制御に係るオンＤＵＴＹを規定するＤＵＴＹ情報を取得する。「ＤＵＴＹ制御に係るオンＤＵＴＹ」とは、ＤＵＴＹ制御に係る１周期の期間に対して、スイッチング素子Ｑが駆動状態にされる期間の割合である。このようなオンＤＵＴＹはＤＵＴＹ情報により示され、制御部２からＤＵＴＹ情報取得部１３に伝達される。

空転状態判定部１４は、回生時間とオンＤＵＴＹとにより設定された判定閾値に基づいて三相モータＭが空転状態であるか否かを判定する。ここで、三相モータＭが空転状態であれば回転数が上昇するが、三相モータＭの負荷が軽すぎる場合にも空転状態であるか否かに拘らず、回転数が高くなることがある。このため、回転数だけで三相モータＭが空転状態であるか否かを判定することは容易ではない。

一方、空転状態では三相モータＭの負荷が軽いため、三相モータＭに流れる電流（消費電流）が少なくなる。そこで、三相モータＭに流れる電流を検出することで、三相モータＭは空転状態であるか否かを判定することができるが、別途電流センサを設けなければならず、係る場合にはコストアップの要因となる。

そこで、本実施形態では回生時間とオンＤＵＴＹとに相関関係を利用して三相モータＭの空転状態であるか否かを判定する。ここで、回生時間は、三相モータＭが空転状態でない場合にはオンＤＵＴＹと一義的な関係を有する。しかしながら、三相モータＭが空転状態となった場合には制御部２が所定のオンＤＵＴＹで制御していてもステータコイルＳＣに蓄えられるエネルギーが減少するため、回生時間が減少する。したがって、回生時間とオンＤＵＴＹとにより三相モータＭが空転状態にあるか否かの判定に係る判定閾値を設定することで、容易に、且つ、安価に三相モータＭが空転状態であるか否かを判定することが可能となる。

このような判定閾値はマップにより規定され、予めマップ記憶部１６に記憶しておくと良い。これにより、空転状態判定部１４は、判定する際にマップ記憶部１６からマップを読み出して使用することが可能となる。

このようなマップの一例が、図４及び図５に示される。図４は正のゼロクロス点における回生時間とオンＤＵＴＹとの関係を規定したマップであり、図５は負のゼロクロス点における回生時間とオンＤＵＴＹとの関係を規定したマップである。したがって、回生時間演算部１２が三相モータＭの誘起電圧の時間微分値が正である時点の回生時間を演算した際には、空転状態判定部１４は図４のマップを用いて三相モータＭが空転状態であるか否かを判定すると良く、回生時間演算部１２が三相モータＭの誘起電圧の時間微分値が負である時点の回生時間を演算した際には、空転状態判定部１４は図５のマップを用いて三相モータＭが空転状態であるか否かを判定すると良い。

空転状態判定部１４は、伝達された回生時間とＤＵＴＹ情報に示されるオンＤＵＴＹとを図４や図５に示されるマップにプロットし、そのプロットがハッチングで示した領域Ａに位置する場合には三相モータＭが空転状態であると判定する。一方、プロットがハッチングで示した領域外に位置する場合には三相モータＭが空転状態でないと判定する。ちなみに、図４及び図５のハッチングは、後述する半導体の温度が２５℃の場合を示している。

ここで、半導体（半導体素子：スイッチング素子Ｑ）は動作すると発熱し、温度上昇に伴って移動度が低下する。したがって、半導体の抵抗率は環境温度によって変化する。すなわち、半導体素子は低温になる程、電流が流れ易くなるので、判定閾値は環境温度に基づいて設定すると良い。具体的には、図４及び図５に示されるように、基板の環境温度が高くなる程、判定閾値を小さくし、基板の環境温度が低い程、判定閾値を大きくなるように設定されている。マップは温度別に設けておき、温度検出部１５の検出結果に応じて使い分けても良い。

このような判定閾値を環境温度に応じて使い分けるために、温度検出部１５は、スイッチング素子Ｑが実装される基板の環境温度を検出する。「スイッチング素子Ｑが実装される基板」とは、インバータ３を構成する基板である。これにより、例えば図４及び図５に示されるように、所定のオンＤＵＴＹの時には、温度検出部１５より検出された環境温度が低い程、回生時間が長くなるように判定閾値を設定し、所定の回生時間の時には、温度検出部１５により検出された環境温度が低い程、オンＤＵＴＹが小さくなるように判定閾値を設定すると良い。

なお、空転状態判定部１４は、三相モータＭの誘起電圧の時間微分値が正である時点の回生時間に基づき判定しても良いし、三相モータＭの誘起電圧の時間微分値が負である時点の回生時間に基づき判定しても良い。もちろん、双方を用いて判定しても良い。

〔その他の実施形態〕
上記実施形態では、判定閾値が環境温度に基づいて設定されるとして説明したが、環境温度に拘らず、一様な判定閾値を設定することも可能である。

本発明は、モータが空転状態であるか否かを判定することが可能なモータ制御装置に用いることが可能である。

１：モータ制御装置
２：制御部
３：インバータ
１１：切替情報取得部
１２：回生時間演算部
１３：ＤＵＴＹ情報取得部
１４：空転状態判定部
１５：温度検出部
Ｍ：三相モータ
Ｑ：スイッチング素子
ＳＣ：ステータコイル（コイル）

Claims

三相モータを駆動するインバータのスイッチング素子をＤＵＴＹ制御する制御部から相切り替えのタイミングを規定する切替情報を取得する切替情報取得部と、
前記切替情報に基づいて、前記三相モータのコイルに蓄えられたエネルギーが放出される時間を回生時間として演算する回生時間演算部と、
前記制御部から前記ＤＵＴＹ制御に係るオンＤＵＴＹを規定するＤＵＴＹ情報を取得するＤＵＴＹ情報取得部と、
前記回生時間と前記オンＤＵＴＹとにより設定された判定閾値に基づいて前記三相モータが空転状態であるか否かを判定する空転状態判定部と、
を備えるモータ制御装置。
前記回生時間演算部は、前記三相モータの誘起電圧の時間微分値が正である時点の前記回生時間を演算する請求項１に記載のモータ制御装置。
前記回生時間演算部は、前記三相モータの誘起電圧の時間微分値が負である時点の前記回生時間を演算する請求項１又は２に記載のモータ制御装置。
前記スイッチング素子が実装される基板の環境温度を検出する温度検出部を備え、
前記判定閾値が前記環境温度に基づいて設定される請求項１から３のいずれか一項に記載のモータ制御装置。