JP2007037275A - 充電制御装置を兼ねたモータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
外部充電電源の接続状態を検出し、インバータをモータ駆動モードと二次電池の充電モードとに確実に切替えるモータ駆動装置の提供。
【解決手段】
インバータの交流出力の１相に接続するダイオードを介して、接続端子と電圧検出器を接続し、この接続端子と別の接続端子とに着脱できる充電電源を接続し、電圧検出器で検出した充電電源の電圧を基にして、充電電源の接続状態を充電電源接続判定回路で判断し、これを受けてモード切替制御回路が出力する切替信号によって、インバータ駆動回路が、インバータをモータ駆動モードあるいは二次電池の充電モードに切替える。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池を電源としてモータを駆動するモータ駆動装置に係り、特に搭載する二次電池の充電制御に好適なモータ駆動装置に関する。

二次電池を電源とするモータ駆動装置では、二次電池を充電するために専用の昇圧回路と整流回路を備えるか、あるいは特許文献１に開示されているように、充電回路専用の昇圧回路を用いずに、モータ駆動用のインバータ装置とモータ巻線とを用いてチョッピング動作させて昇圧している。

特開平７−８７６１６公報（図１と、（００１２）段落の記載と、（００２１）段落との記載。）

上記特許文献１ではインバータの動作モードは、外部交流電源を接続しないモータ駆動モードと、外部交流電源を接続して二次電池を充電する昇圧動作を行う充電モードとがあって、これらの動作モードではインバータの半導体スイッチング素子が異なる動作をしているので、何らかの手段で外部交流電源の接続状態を判断しなければならないが、その開示がない。

本発明の目的は、外部充電電源の接続状態を機械スイッチを使わずに検出し、インバータのモータ駆動モードと二次電池の充電モードとの切替えを実現する充電制御装置を兼ねたモータ駆動装置を提供することにある。

本発明の充電制御装置を兼ねたモータ駆動装置は、交流モータと、インバータと、二次電池と、充電電源と、インバータの制御部とを備え、二次電池の直流電圧を前記インバータにより交流電圧に変換して前記交流モータに供給するモータ駆動モードと、前記充電電源の接続を検知して充電電源の直流電圧を前記交流モータの巻線を通してインバータに加え、インバータの半導体スイッチング素子を駆動して二次電池を充電する充電モードとを備えている。

本発明によれば、充電用電源の接続または非接続の状態を検出する検出手段の出力によりモータ駆動モードと充電モードの切替えを確実に実行できる。

以下、図を参照しながら本発明の詳細を説明する。

図１に本実施例の二次電池の充電制御装置を兼ねたモータ駆動装置を示す。図１において、平滑コンデンサ４の正負両端は電圧検出器５に接続されている。平滑コンデンサ４の正極は、二次電池１の正極と接続され、二次電池１の負極は充電電流検出器６を介して平滑コンデンサ４の負極に接続される。平滑コンデンサ４の正極は、インバータ２の直流母線の正側Ｐに接続され、インバータ２の直流母線の負側Ｎ１は、インバータ２に流れる電流を検出する電流検出器７を介して平滑コンデンサ４の負極に接続される。

インバータ２は、例えばＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴのような電力半導体スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６と環流ダイオードＤ１〜Ｄ６と備えた上下各３つのアームで構成され、インバータ２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相交流出力が交流モータ３に接続されている。ここで、交流モータ３には、例えば永久磁石を回転子にした永久磁石モータを用いることができる。

このインバータ２を構成する電力半導体スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６を、モータ駆動モードもしくは二次電池の充電モードそれぞれに応じたゲート駆動信号で制御する回路が、インバータ駆動回路１５である。さらにインバータ駆動回路１５では、モータ駆動モード時に、運転指令１５Ｓに従って実際に交流モータ３を駆動するかしないかも決定する。なお、図１では、インバータ駆動回路１５が交流モータ３を回転子位置センサを使わずに、電流検出器７が検出するインバータ電流波形を入力して回転子位置を推定して制御する位置センサレス制御の場合を示すが、回転子位置センサの出力をインバータ駆動回路１５に入力して交流モータ３を制御する位置センサ付き制御であっても構わない。

本実施例では、図１に示すように、インバータ２のＵ相交流出力にダイオード１０のカソードが接続され、充電電圧検出器１１がダイオード１０のアノードと平滑コンデンサ４の負極端Ｎとの間に接続されている。さらに着脱可能な充電電源１４が、図１のダイオード１０のアノードに接続する接続端子１２と平滑コンデンサ４の負極端Ｎに接続する接続端子１３とに接続されている。ここで、ダイオード１０の代わりに、オン抵抗が小さな半導体、例えば、パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ、サイリスタ、ＧＴＯを配置して、充電電源接続判定回路１６の出力或いはモード切替制御回路１７の出力を用いてオンオフさせても良い。

本実施例の二次電池の充電制御装置を兼ねたモータ駆動装置では、充電電圧検出器１１が出力する検出電圧を入力して、その検出電圧の大きさにより充電電源１４が接続されているか否かを判定する充電電源接続判定回路１６を備えている。この充電電源接続判定回路１６は、その判定結果信号である充電電源非接続信号１６Ｓ１もしくは充電電源接続信号１６Ｓ２を、モード切替制御回路１７に向けて出力する。モード切替制御回路１７はこの判定結果信号を受けて、インバータ２の動作モードを、モータ駆動モード制御信号１７Ｓ１あるいは充電モード制御信号１７Ｓ２の何れかにするのかをインバータ駆動回路１５に出力する。インバータ駆動回路１５は、モード切替制御回路１７の出力を受けてインバータ２の動作を二次電池の充電モードあるいはモータ駆動モードの何れかで制御する。前記のインバータ駆動回路１５、充電電源接続判定回路１６、及びモード切替制御回路１７は、個別のロジックＩＣで構成しても良いが、本実施例では、図１には示していないマイクロコンピュータによって実現した。

以下、モータ駆動モードと充電モードの詳細を説明する。図２は、図１でモータ駆動モードに関係する部分のみを示し、無関係な部分の記載を略してある。モータ駆動モードの状態では、充電電源１４は接続されておらず、充電電圧検出器１１からの検出電圧情報に基づいて、充電電源接続判定回路１６が充電電源非接続信号１６Ｓ１を出力する。モード切替制御回路１７が、この充電電源非接続信号１６Ｓ１を受けてモータ駆動モード制御信号１７Ｓ１を出力し、このモータ駆動モード制御信号１７Ｓ１と運転指令１５Ｓとを受けて、インバータ駆動回路１５が、インバータ２の電力半導体スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６の各ゲートに、二次電池１の直流電圧出力を交流変換する駆動信号を与えてインバータ２から交流電圧を出力し、交流モータ３を駆動する。もし、運転指令１５Ｓが停止信号であれば、インバータ２は動作させずに交流モータ３を停止させておく。

図３を用いて充電モードの動作を説明する。図３は、図１の充電モードに関係する部分のみを示し、無関係な部分の記載を省略してある。充電モードの状態では、充電電源１４が接続されており、充電電圧検出器１１からの検出電圧情報に基づいて、充電電源接続判定回路１６から充電電源接続信号１６Ｓ２が出力されている。モード切替制御回路１７が、この充電電源接続信号１６Ｓ２を受けて充電モード制御信号１７Ｓ２を出力する。インバータ駆動回路１５では、この充電モード制御信号１７Ｓ２を受けて、インバータ２の１相出力である電力半導体スイッチング素子Ｔｒ１、Ｔｒ２の上下アームをオフとし、接続端子１２と接続端子１３に接続された充電電源１４の直流電圧出力を、交流モータ３の巻線を介して残る２相の下アームの電力半導体スイッチング素子Ｔｒ４、Ｔｒ６に印加し、この電力半導体スイッチング素子Ｔｒ４、Ｔｒ６をオン・オフ制御して、二次電池１の充電制御を行う。

具体的には、インバータ２の下アームの２相、図３ではＶ相とＷ相の電力半導体スイッチング素子Ｔｒ４、Ｔｒ６をオンとして、交流モータ３に電流を通流して巻線に電磁エネルギを蓄積し、次にインバータ２の下アームオフ期間に、蓄積された電磁エネルギによって電流が上アームの還流ダイオードＤ３、Ｄ５を通流し、二次電池１に電力を入力して充電する。充電モードでスイッチングするインバータ２の２相のアームは上記のようにＶ相とＷ相の特定の２相に固定しても良いし、特定の２相に固定しないで、二次電池１を充電した電力量が３相の各アームで均等になるように変えても良い。

二次電池１の充電電流は、充電電流検出器６により検出した電流をインバータ駆動回路１５にフィードバックして、一定電流あるいは許容充電電流を越えないように、電力半導体スイッチング素子Ｔｒ４、Ｔｒ６のスイッチングパルス幅を制御する。

なお、充電モードで、例えば、下アームの電力半導体スイッチング素子がオフ時に、上アームの電力半導体スイッチング素子をオンにする同期整流方式で二次電池１を充電しても良い。すなわち、図６に示すように、下アームの電力半導体スイッチング素子Ｔｒ４と電力半導体スイッチング素子Ｔｒ６のオン・オフに同期して、上アームの電力半導体スイッチング素子Ｔｒ３と電力半導体スイッチング素子Ｔｒ５をオフ・オンさせて二次電池１を充電する。

図４は、充電モードでの電力半導体スイッチング素子Ｔｒ４、Ｔｒ６のオン・オフ制御におけるスイッチングパルス指令のタイミングチャートである。図４に示すスイッチングパルス指令が、Ｈｉｇｈレベルとなったときにオン、Ｌｏｗレベルとなったときにオフとして、電力半導体スイッチング素子Ｔｒ４、Ｔｒ６、や還流ダイオードＤ３、Ｄ５をオン・オフさせる。図４の期間ｔ１では、インバータ２の下アームの電力半導体スイッチング素子Ｔｒ４、Ｔｒ６をオンとして、交流モータ３の巻線に電流を通流する。この結果、交流モータ３の巻線に電磁エネルギが蓄積される。図４の期間ｔ２では、インバータ２の下アームの電力半導体スイッチング素子Ｔｒ４、Ｔｒ６をオフとし、上アームの還流ダイオードＤ３、Ｄ５をオンにして、交流モータ３の巻線に蓄積された電磁エネルギを還流ダイオードＤ３、Ｄ５を通流して二次電池１に入力し、二次電池１を充電する。

次に本実施例でのモータ駆動モードと充電モード切替え方法の詳細を説明する。図５は、充電電源１４を接続したり外した時の、充電モードとモータ駆動モードの遷移を表すタイミングチャートである。図５において（１）のチャートは、充電電源１４の非接続、すなわち図５のＬｏｗレベルと、充電電源１４の接続、すなわち図５のＨｉｇｈレベルとを表し、（２）のチャートは、充電電源１４の接続や非接続によって生じる充電電圧の検出電圧の変化を表す。また、図５の、（３）のチャートと（４）のチャートは、それぞれ充電電源非接続信号１６Ｓ１と充電電源接続信号１６Ｓ２の変化を表し、（５）のチャートはモータ駆動モードと充電モードの遷移を表している。

充電電源１４が非接続でインバータ駆動回路１５がモータ駆動モードの状態から、時刻ｔ＝ａで充電電源１４が接続端子１２、１３に接続すると、充電電圧検出器１１が出力する検出電圧が、時刻ｔ＝ａから上昇を始め、上昇途中の時刻ｔ＝ｂで、接続判定レベルＶＬを超える。検出電圧が、接続判定レベルＶＬを超えると充電電源接続判定回路１６が充電電源１４の接続があったと判定して充電電源接続信号１６Ｓ２をＨｉｇｈレベルにし、充電電源非接続信号１６Ｓ１をＬｏｗレベルにする。この充電電源接続信号１６Ｓ２がＨｉｇｈレベルになると、モード切替制御回路１７が図５に示すようにモータ駆動モード制御信号１７Ｓ１をＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに、充電モード制御信号１７Ｓ２をＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化させてインバータ駆動回路１５がインバータ２の動作をモータ駆動モードから充電モードへ切替える。このとき、図５に示すようにモード遷移期間Ａを経て時刻ｔ＝ｃの時点で充電モードに移行する。このように、時刻ｔ＝ｂからｔ＝ｃまでのモード遷移期間Ａがあるので、モータ駆動モードで運転指令１５Ｓに従って交流モータ３が実際に回転していた場合でも、一旦インバータ２の動作を遮断して、交流モータ３の回転が停止するまでの待ち時間が確保できる。

一方、時刻ｔ＝ｄで、充電電源１４が接続端子１２、１３から外されると、充電電圧検出器１１が出力する検出電圧が、時刻ｔ＝ｄで下降を始め、下降途中の時刻ｔ＝ｅで、非接続判定レベルＶＨより低下する。検出電圧が、非接続判定レベルＶＨより低下すると、充電電源接続判定回路１６が非接続となったと判定し、充電電源非接続信号１６Ｓ１をＨｉｇｈレベルにし、充電電源接続信号１６Ｓ２をＬｏｗレベルにする。この充電電源非接続信号１６Ｓ１がＨｉｇｈレベルになると、モード切替制御回路１７が図５に示すようにモータ駆動モード制御信号１７Ｓ１をＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに、充電モード制御信号１７Ｓ２をＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに変化させてインバータ駆動回路１５がインバータ２の動作を充電モードからモータ駆動モードへ切替える。このとき、図５に示すようにモード遷移期間Ｂを経て時刻ｔ＝ｆの時点でモータ駆動モードに移行する。

この時刻ｔ＝ｅからｔ＝ｆまでの遷移期間Ｂでは、モータ駆動モードに移る際のモータ制御に使う各種データの初期化などを行う。時刻ｔ＝ｆ以降の新たなるモータ駆動モードでは、その時点における運転指令１５Ｓに従って、交流モータ３を実際に駆動させるか、あるいは停止させたままとする。

以上説明したように、本発明によれば、充電電源の接続または非接続の状態を出力する検出手段が接続状態を出力すれば充電モードを保持し、非接続状態を出力すればモータ駆動モードを保持し続けることができるので、モータ駆動モードと充電モードを排他的に選択できる。なお、図５では、充電電源１４の接続または非接続の状態を検知するには、電圧検出レベルＶＬとＶＨを異なる値、すなわちＶＬ＜ＶＨとしているが、同じ値としても構わない。

本実施例では、インバータ２と、インバータ２の制御部であるインバータ駆動回路１５、充電電源接続判定回路１６、モード切替制御回路１７とは、それぞれ個別のパッケージに実装しても良いし、インバータ２と制御部とを同じパッケージに実装したインテリジェントパワーモジュールとしても良い。インバータ２と制御部とを同じパッケージに実装したモジュールはコンパクトで軽量にできること、充電モードではモータを必ず停止するので、二次電池１で駆動する交流モータ３で車輪を駆動する電気自動車や、電動バイク、電動アシスト自転車に搭載する二次電池の充電制御装置を兼ねたモータ駆動装置として好適である。また、インバータ２と制御部とを同じパッケージに実装したモジュールはコンパクトで軽量にできることから、コードレス電気掃除機のモータ制御にも好適である。

実施例１の二次電池の充電制御装置を兼ねたモータ駆動装置の説明図。 実施例１のモータ駆動モードの説明図。 実施例１の充電モードの説明図。 実施例１の充電モードのタイミングチャート。 実施例１の二次電池の充電制御装置を兼ねたモータ駆動装置のモータ駆動モードと充電モードとの遷移を説明するタイミングチャート。 実施例１の別の充電モードの説明図。

符号の説明

１…二次電池、２…インバータ、３…交流モータ、４…平滑コンデンサ、５…電圧検出器、６…充電電流検出器、７…電流検出器、１０…ダイオード、１１…充電電圧検出器、１２、１３…接続端子、１４…充電電源、１５…インバータ駆動回路、１５Ｓ…運転指令、１６…充電電源接続判定回路、１６Ｓ１…充電電源非接続信号、１６Ｓ２…充電電源接続信号、１７…モード切替制御回路、１７Ｓ１…モータ駆動モード制御信号、１７Ｓ２…充電モード制御信号。

Claims (13)

1. 交流モータと、インバータと、二次電池と、充電電源と、インバータの制御部とを備えた二次電池の充電制御装置を兼ねたモータ駆動装置であって、
   該モータ駆動装置のインバータの制御部が、
   前記充電電源の接続の有無を判定する接続判定部と、
   二次電池の直流電圧を前記インバータによって交流電圧に変換して前記交流モータに供給するモータ駆動モードと、前記充電電源の直流電圧を前記交流モータの巻線を通して前記インバータに加え、インバータの半導体スイッチング素子を駆動して二次電池を充電する充電モードとを切替える、モード切替制御部とを備え、
   前記接続判定部が、前記充電電源接続端子の電圧検出値を入力し、該電圧検出値を予め定めた値と比較して前記充電電源の接続の有無を出力し、
   前記モード切替制御部が、該接続判定部の出力を入力し、前記モータ駆動モードと前記充電モードとを、所定の時間のモード遷移期間を経て切替えることを特徴とするモータ駆動装置。
2. 請求項１に記載のモータ駆動装置において、前記モータ駆動装置のインバータの制御部が、前記モータ駆動モードから前記充電モードに移行するモード遷移期間は前記インバータの動作を遮断することを特徴とするモータ駆動装置。
3. 請求項１に記載のモータ駆動装置において、前記モータ駆動装置のインバータの制御部が、前記モータ駆動モードで、前記交流モータの回転子位置センサの出力を用いた位置センサ付き制御を行うインバータ駆動回路部を備えることを特徴とするモータ駆動装置。
4. 請求項１に記載のモータ駆動装置において、前記モータ駆動装置のインバータの制御部が、前記モータ駆動モードで、前記交流モータの回転子を推定する位置センサレス制御を行うインバータ駆動回路部を備えることを特徴とするモータ駆動装置。
5. 請求項１に記載のモータ駆動装置において、前記モータ駆動装置のインバータの制御部が、前記充電モードで、前記インバータの複数のアームに配置した半導体スイッチング素子を駆動するインバータ駆動回路部を備えることを特徴とするモータ駆動装置。
6. 直流を入力して３相交流を出力するインバータと、３相交流モータと、二次電池と、充電電源と、インバータの制御部とを備えた二次電池の充電制御装置を兼ねたモータ駆動装置であって、
   該モータ駆動装置のインバータの制御部が、
   前記充電電源の接続の有無を判定する接続判定部と、
   二次電池の直流電圧を前記インバータによって３相交流電圧に変換して前記３相交流モータに供給するモータ駆動モードと、前記充電電源の直流電圧を前記３相交流モータの巻線を通して前記インバータに加え、インバータの半導体スイッチング素子を駆動して二次電池を充電する充電モードとを切替える、モード切替制御部と、
   前記インバータ半導体スイッチング素子の駆動信号を出力するインバータ駆動回路部とを備え、
   前記接続判定部が、前記充電電源接続端子の電圧検出値を入力し、該電圧検出値を予め定めた値と比較して前記充電電源の接続の有無を出力し、
   前記モード切替制御部が、該接続判定部の出力を入力し、前記モータ駆動モードと前記充電モードとを、所定の時間のモード遷移期間を経て切替え、
   前記インバータ駆動回路部が、前記充電モードでは、前記インバータの１相出力する上下のアームの半導体スイッチング素子をオフにして、前記３相交流モータの巻線を介して他の２相を出力するアームの半導体スイッチング素子に前記充電電源の直流電圧を印加し、該他の２相を出力するアームの半導体スイッチング素子をオンオフさせることを特徴とするモータ駆動装置。
7. 請求項６に記載のモータ駆動装置において、前記モータ駆動装置のインバータの制御部が、前記モータ駆動モードから前記充電モードに移行するモード遷移期間は前記インバータの動作を遮断することを特徴とするモータ駆動装置。
8. 請求項６に記載のモータ駆動装置において、前記モータ駆動装置のインバータの制御部が、前記モータ駆動モードで、前記３相交流モータの回転子位置センサの出力を用いた位置センサ付き制御を行うインバータ駆動回路部を備えることを特徴とするモータ駆動装置。
9. 請求項６に記載のモータ駆動装置において、前記モータ駆動装置のインバータの制御部が、前記モータ駆動モードで、前記３相交流モータの回転子を推定する位置センサレス制御を行うインバータ駆動回路部を備えることを特徴とするモータ駆動装置。
10. ３相交流モータと、インバータと、二次電池と、充電電源と、インバータの制御部とを備えた二次電池の充電制御装置を兼ねたモータ駆動装置であって、
    該モータ駆動装置のインバータの制御部が、
    前記充電電源を接続する接続端子の電圧検出値を入力し、該電圧検出値を予め定めた値と比較して前記充電電源の接続の有無を出力する接続判定部と、
    二次電池の直流電圧を前記インバータによって３相交流電圧に変換して前記３相交流モータに供給するモータ駆動モードと、前記充電電源の直流電圧を前記３相交流モータの巻線を通して前記インバータに加え、インバータの半導体スイッチング素子を駆動して二次電池を充電する充電モードとを、前記接続判定部の出力を入力し、所定の時間のモード遷移期間を経て切替える、モード切替制御部と、
    前記インバータの半導体スイッチング素子を駆動する駆動信号を出力するインバータ駆動回路部とを備え、
    前記インバータとインバータの制御部とが同じパッケージに実装されたモジュールであることを特徴とするモータ駆動装置。
11. 請求項１０に記載のモータ駆動装置において、前記モータ駆動装置のインバータの制御部が、前記モータ駆動モードから前記充電モードに移行するモード遷移期間は前記インバータの動作を遮断することを特徴とするモータ駆動装置。
12. 請求項１０に記載のモータ駆動装置において、前記モータ駆動装置のインバータの制御部が、前記モータ駆動モードで、前記３相交流モータの回転子位置センサの出力を用いた位置センサ付き制御を行うインバータ駆動回路部を備えることを特徴とするモータ駆動装置。
13. 請求項１０に記載のモータ駆動装置において、前記モータ駆動装置のインバータの制御部が、前記モータ駆動モードで、前記３相交流モータの回転子を推定する位置センサレス制御を行うインバータ駆動回路部を備えることを特徴とするモータ駆動装置。
    
    
    

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