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公開番号2021069249
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210430
出願番号2019195149
出願日20191028
発明の名称半導体装置及びモータ制御方法
出願人ルネサスエレクトロニクス株式会社
代理人ポレール特許業務法人
主分類H02P 25/22 20060101AFI20210402BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】二重巻線三相モータの制御回路の機能安全性能を向上させる。
【解決手段】半導体装置は、三相モータの第1の巻線を駆動するための第1のインバータと、三相モータの第2の巻線を駆動するための第2のインバータと、第1と第2のインバータ間の通信線と、を備え、第1と第2のインバータは、通信線を通して、それぞれの動作状態を通知する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
二重巻線の三相モータを制御する半導体装置であって、
三相モータの第1の巻線を駆動するための第1のインバータと、
前記三相モータの第2の巻線を駆動するための第2のインバータと、
前記第1と第2のインバータ間の通信線と、を備え、
前記第1と第2のインバータは、前記通信線を通して、それぞれの動作状態を通知する、半導体装置。
続きを表示(約 2,200 文字)【請求項2】
前記第1のインバータは、第1の制御回路を更に備え、
前記第1の制御回路は、前記通信線を通して通知された前記第2のインバータの動作状態に基づいて、前記第1の巻線の駆動電流を変更する、
請求項1に記載の半導体装置。
【請求項3】
前記第1の制御回路は、前記第2のインバータが異常状態のときは、前記第2のインバータが前記第2の巻線に流そうとしていた駆動電流を、前記第1の巻線の駆動電流に加える、
請求項2に記載の半導体装置。
【請求項4】
前記第1のインバータは、第1の温度検出回路を更に備え、
前記第2のインバータは、第2の制御回路と第2の温度検出回路を更に備え、
前記第1と第2の温度検出回路が示す温度に応じて、前記第1と第2の制御回路は、前記第1と第2の巻線のそれぞれの駆動電流を変更する、
請求項2に記載の半導体装置。
【請求項5】
前記第1と第2の温度検出回路が示す温度に応じて、前記第1と第2の制御回路は、前記第1の巻線の駆動電流と前記第2の巻線の駆動電流とが、所定の比となるようにする、
請求項4に記載の半導体装置。
【請求項6】
前記第1のインバータは、第1のPWM(Pulse Width Modulation)生成回路と第1のパワートランジスタとを更に備え、
前記第2のインバータは、第2のPWM生成回路と第2のパワートランジスタとを更に備え、
前記第1のPWM生成回路が生成したPWM信号で前記第1のパワートランジスタのゲートを制御することで、前記第1の巻線の駆動電流を生成し、
前記第2のPWM生成回路が生成したPWM信号で前記第2のパワートランジスタのゲートを制御することで、前記第2の巻線の駆動電流を生成する、
請求項2に記載の半導体装置。
【請求項7】
前記第1のPWM生成回路がPWM信号を生成するタイミングと、前記第2のPWM生成回路がPWM信号を生成するタイミングとが、所定量ずれている、
請求項6に記載の半導体装置。
【請求項8】
前記第1のインバータは、所定の周期でカウントアップ又はダウンする第1のキャリアタイマと、第1のコンペアタイマとを更に備え、
前記第2のインバータは、所定の周期でカウントアップ又はダウンする第2のキャリアタイマと、第2のコンペアタイマとを更に備え、
前記第1のPWM生成回路は、前記第1のキャリアタイマの値と前記第1のコンペアタイマの値とを比較することでPWMを生成し、
前記第2のPWM生成回路は、前記第2のキャリアタイマの値と前記第2のコンペアタイマの値とを比較することでPWMを生成し、
前記第1のキャリアタイマがカウントアップするタイミングと、前記第2のキャリアタイマがカウントアップするタイミングとが所定量ずれている、
請求項7に記載の半導体装置。
【請求項9】
二重巻線の三相モータを、第1と第2のインバータで制御する制御方法であって、
第1のインバータに、三相モータの第1の巻線を駆動するための第1駆動電流を流させ、
第2のインバータに、前記三相モータの第2の巻線を駆動するための第2駆動電流を流させ、
前記第1と第2のインバータに、それぞれの動作状態を互いに通知させる、
モータ制御方法。
【請求項10】
通知された前記第2のインバータの動作状態に基づいて、前記第1のインバータに前記第1の巻線の駆動電流を変更させる、
請求項9に記載のモータ制御方法。
【請求項11】
前記第2のインバータが異常状態のときは、前記第1のインバータに、前記第2のインバータが前記第2の巻線に流そうとしていた駆動電流を、前記第1の巻線の駆動電流に加えさせる、
請求項10に記載のモータ制御方法。
【請求項12】
前記第1と第2のインバータは、それぞれ温度検出回路を有し、
前記温度検出回路のそれぞれが示す温度に応じて、前記第1と第2のインバータに、前記第1と第2の巻線それぞれの駆動電流を変更させる、
請求項10に記載のモータ制御方法。
【請求項13】
前記温度検出回路のそれぞれが示す温度に応じて、前記第1と第2のインバータに、前記第1の巻線の駆動電流と前記第2の巻線の駆動電流とが、所定の比となるようにさせる、
請求項12に記載のモータ制御方法。
【請求項14】
前記第1のインバータは第1のパワートランジスタを更に備え、
前記第2のインバータは第2のパワートランジスタを更に備え、
前記第1のインバータにPWM(Pulse Width Modulation)信号で前記第1のパワートランジスタのゲートを制御させ、
前記第2のインバータにPWM信号で前記第2のパワートランジスタのゲートを制御させる、
請求項10に記載のモータ制御方法。
【請求項15】
前記第1のインバータがPWM信号を生成するタイミングと、前記第1のインバータがPWM信号を生成するタイミングとを所定量ずれさせる、
請求項14に記載のモータ制御方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明はモータの制御装置、特に二重巻線構造を備えたモータ制御技術に関する。
続きを表示(約 5,900 文字)【背景技術】
【0002】
近年、電気自動車やハイブリッド自動車のように、自動車の駆動用にモータが広く使われるようになってきている。
【0003】
自動車分野で使用されるモータには2つの解決すべき課題が提示される。その1つは、少ない電力で大きなトルクが得られること。もう1つは故障時の対策である。
【0004】
上記2つの課題を解決するものとして、二重巻線のモータが知られている。非特許文献1には、自動車用のものではないが二重巻線のモータとその制御回路が記載されている(Fig.1)。Fig.1の構成では、2組の3相のステータが使用され、かつ、2組の位相差は0である。また、それぞれの巻線(コイル)へはインバータを介して電流が流される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0005】
Akira Satake、他2名著、“Design of Coupling Cancellation Control for a Double−winding PMSM”、IEEJ Journal IA、Vol.6、No.1、2017
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
非特許文献1には2重巻線間の干渉を考慮した電流制御方法については記載があるが、具体的な制御回路についての記載はない。特に、車載用ECU(Electronic Control Unit)では、故障時の対策(機能安全)を考慮した実装が必須となる。
【0007】
その他の課題および新規な特徴は、本明細書および図面の記載から明らかになる。
【課題を解決するための手段】
【0008】
一実施の形態に係る半導体装置は、モータの第1の巻線を制御する第1の(プライマリ)インバータと、モータの第2の巻線を制御する第2の(セカンダリ)インバータとを有し、プライマリインバータとセカンダリインバータとは通信線で接続され、プライマリインバータは通信線で送信されたセカンダリインバータの動作状態に基づいて、プライマリインバータとセカンダリインバータの動作設定を行う。
【発明の効果】
【0009】
一実施の形態に係る半導体装置では、突入電流対策を備えた電力変換が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
図1は実施の形態1に係る半導体装置のブロック図である。
図2は実施の形態1に係るモータのイメージ図である。
図3は実施の形態1に係る半導体装置の回路図である。
図4は実施の形態1に係るモータの正弦波制御の説明図である。
図5は実施の形態1に係る制御回路の説明図である。
図6は実施の形態1に係るPWM制御の説明図である。
図7は実施の形態1に係る半導体装置の動作フローチャートである。
図8は実施の形態2に係る半導体装置のブロック図である。
図9は実施の形態2に係る半導体装置の動作フローチャートである。
図10は実施の形態3に係るモータ制御の電流波形の説明図である。
図11は実施の形態3に係る半導体装置の動作説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、一実施の形態に係る半導体装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、明細書および図面において、同一の構成要件または対応する構成要件には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、図面では、説明の便宜上、構成を省略または簡略化している場合もある。また、各実施の形態の少なくとも一部は、互いに任意に組み合わされてもよい。
【0012】
[実施の形態1]
(半導体装置の構成)
図1は、実施の形態1に係る半導体装置10の構成を示すブロック図である。
【0013】
図1に示されるように、半導体装置10は、第1のインバータ11(以下、プライマリインバータ11と呼ぶ)と第2のインバータ12(以下、セカンダリインバータ12と呼ぶ)とを備える。図2は半導体装置10が制御するモータ21のイメージ図である。本実施の形態のモータ21は、120度の間隔で3つのスロットがある三相モータである。ただし、1つのスロットに2つの巻線を有する構造となっている。それぞれの巻線をU相(U1相、U2相)、V相(V1相、V2相)、W相(W1相、W2相)とする。
【0014】
図1に戻って半導体装置10の構成をさらに説明する。プライマリインバータ11は、モータ21のU1、V1、W1相に接続され、3相の駆動電流を生成する。3相の駆動電流生成時には、U1、V1、W1相のそれぞれに流れる電流と、RDC(Resolver Digital Converter)22が出力するモータの回転角とが参照される。セカンダリインバータ12も同様に、U2、V2、W2相に接続され、3相の駆動電流を生成する。
【0015】
プライマリインバータ11は、インバータ回路13、ゲートドライブ回路15、制御回路17を有する。セカンダリインバータ12も同様に、インバータ回路14、ゲートドライブ回路16、制御回路18を有する。
【0016】
制御回路17は電流検出回路19が検出したU1、V1、W1相に流れる電流と、RDC22が出力するモータ21の回転角とを参照し、モータ21が所望の回転となるように制御を行う。モータ制御方法としてはベクトル制御方法などを用いるが、ここでは詳細を省略する。制御回路18も同様に、電流検出回路20が検出したU2、V2、W2相に流れる電流と、RDC22が出力するモータ21の回転角とを参照し、モータ21が所望の回転となるように制御を行う。また、制御回路17と制御回路18とは通信線23で接続され、それぞれのモータ21の制御状態を知ることで、制御方法を変更することができるようになっている。詳細は後述する。制御回路17、18はマイクロコントローラでもよいし、専用回路でもよい。また、U1、U2、V1、V2、W1、W2相に流れる電流を測定するためにA/D変換器(不図示)が用いられる。
【0017】
インバータ回路13とインバータ回路14は同一の回路構成である。図3はインバータ回路13の構成を示す。図3の括弧内の記号はインバータ回路14の構成を示す。インバータ回路13は、図3に示すように6個のIGBTやパワーMOSのパワートランジスタU1+、U1−、V1+、V1−、W1+、W1−で構成される。パワートランジスタU1+、U1−がモータ21のU1相に接続される。パワートランジスタV1+、V1−がモータ21のV1相に接続される。パワートランジスタW1+、W1−がモータ21のW1相に接続される。インバータ回路14も同様に、パワートランジスタU2+、U2−がモータ21のU2相に接続される。パワートランジスタV2+、V2−がモータ21のV2相に接続される。パワートランジスタW2+、W2−がモータ21のW2相に接続される。
【0018】
ゲートドライブ回路15は、制御回路17からの制御信号に基づき、インバータ回路13の6個のパワートランジスタそれぞれのゲート信号を生成する。ゲートドライブ回路16も同様に、制御回路18からの制御信号に基づき、インバータ回路14の6個のトランジスタそれぞれのゲート信号を生成する。インバータ回路13は、ゲートドライブ回路15からのゲート信号に基づき、U1、V1、W1相の信号を生成する。インバータ回路14も同様に、ゲートドライブ回路16からのゲート信号に基づき、U2、V2、W2相の信号を生成する。
【0019】
ここで、3相のモータ制御方法について図3、図4を用いて説明する。図4のU1(U2)、V1(V2)、W1(W2)が示しているのは、正弦波駆動による電流波形である。位相が120度ずれた正弦波状の3相のU1(U2)、V1(V2)、W1(W2)の駆動電流でモータ制御が行われる。本実施の形態1では、正弦波駆動を行うためにPWM(Pulse Width Modulation)によるモータ制御を行う。図4の出力電圧の波形が示しているのは、PWM制御されたU1(U2)相の出力電圧である。
【0020】
次にPWM制御について説明する。図5は制御回路17、18のブロック図である。制御回路17と制御回路18は同一の回路構成である。制御回路17は、キャリアタイマ24、コンペアタイマ26、PWM生成回路28、通信回路30、CPU32、メモリ34を備える。制御回路18も同様に、キャリアタイマ25、コンペアタイマ27、PWM生成回路29、通信回路31、CPU33、メモリ35を備える。
【0021】
制御回路17、18は、モータ制御用のソフトウェア等からの電流指示(トルク)値に基づいてU1、U2、V1、V2、W1、W2相の出力電流を制御する。制御回路17は、各相の出力電流が所望の値になるように、インバータ回路13のパワートランジスタU1+、U1−、V1+、V1−、W1+、W1−用の制御信号(PWM信号)を生成する。より具体的には、各制御信号は、図6で示される通り、キャリアタイマ24とU1、V1、W1相それぞれのコンペアタイマ26の値との比較動作を行いながら生成される。キャリアタイマ24は、0値から所定値まで所定の周期(例えばクロック周期)でカウントアップし、所定値となったら0値まで所定の周期でカウントダウンするタイマである。電流指示値に基づいて、各相のコンペアタイマ値を変更することで、各制御信号を可変にできる。制御回路18も同様の方法で、パワートランジスタU2+、U2−、V2+、V2−、W2+、W2−用の制御信号(PWM信号)を生成する。
【0022】
ゲートドライブ回路15は、制御回路17が出力した各制御信号から、インバータ回路13が有する6個のパワートランジスタ(U1+、U1−、V1+、V1−、W1+、W1−)用のゲート信号を生成する。6個のトランジスタは、IGBTやパワーMOSで構成されるため、高電圧のゲート信号が必要となる。従って、ゲートドライブ回路15はチャージポンプ(不図示)を用いて、制御信号から高電圧のゲート信号を生成する。ゲートドライブ回路16も同様に、制御回路18が出力した各制御信号から、インバータ回路14が有する6個のパワートランジスタ(U2+、U2−、V2+、V2−、W2+、W2−)用のゲート信号を生成する。
【0023】
(半導体装置の動作)
次に本実施の形態1に係る半導体装置10の動作について説明する。図7は半導体装置10の動作を示すフローチャートである。
【0024】
まず、初期段階では2つのインバータに対してプライマリインバータかセカンダリインバータかが設定される。この設定は2つのインバータに予め固定の値で決めておいてもよいし、別のMCU(Micoro Control Unit)が動的に決めるようにしてもよい。
【0025】
プライマリインバータ11の制御回路17は、モータ制御用のソフトウェア等からの指示により、モータに対する指令値(トルク指令値など)を受けたとき、指令値に合うようにプライマリインバータ11を設定するとともに、通信線23を通してセカンダリインバータ12にも設定を行う(ステップS10p、S10s、S11p、S11s)。
【0026】
例えば、指令値により、U相、V相、W相の各相に100Aの電流を流す必要があるとする。プライマリインバータ11はU1、V1、W1相にそれぞれ50Aの電流が流れるように設定される。また、セカンダリインバータ12はU2、V2、W2相にそれぞれ50Aの電流が流れるように設定される。これは、プライマリインバータ11とセカンダリインバータ12とで1:1と予め設定された場合である。なお、1:1には限られない。
【0027】
ここで、プライマリインバータ11とセカンダリインバータ12とが指令値に応じて動作中、異常が発生した場合を考える(ステップS12p、S12s)。例えば、セカンダリインバータ12内やセカンダリインバータ12とモータとの接続線で短絡などの異常が発生した場合、セカンダリインバータ12は異常状態を、通信線23を通してプライマリインバータ11に通知する。ここで、セカンダリインバータ12内の異常は、制御回路18、ゲートドライブ回路16に設けられるテスト回路(不図示)や、電流検出回路20からの出力情報で知ることができる。
【0028】
プライマリインバータ11は、セカンダリインバータ12からの異常を受信すると、外部のMCUに通知するとともに、プライマリインバータ11とセカンダリインバータ12の設定を変更する(ステップS13p)。ここでは、セカンダリインバータ12に異常が発生したため、プライマリインバータ11はセカンダリインバータ12の動作を停止させ、以降のモータ制御はプライマリインバータ11のみで行うようにする。上述した100Aの例では、プライマリインバータ11がU1、V1、W1相それぞれに100Aの電流が流れるように制御を行う。本実施の形態1では、1スロットにプライマリインバータ11により制御される巻線と、セカンダリインバータ12により制御される巻線があるため、プライマリインバータ11のみの制御であってもモータ制御を継続することができる。
【0029】
プライマリインバータ11で異常が検出された場合も同様に、セカンダリインバータ12のみでモータ制御を継続することができる。
【0030】
プライマリインバータ11の制御回路17で異常が検出された場合は、セカンダリインバータ12をプライマリインバータとして設定を変更することでモータ制御を継続する。
(【0031】以降は省略されています)

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