CN112534710A

CN112534710A - 电动机驱动装置、电动油泵和电动机驱动装置的故障检测方法

Info

Publication number: CN112534710A
Application number: CN201980052134.9A
Authority: CN
Inventors: 横内宏纪; 远藤修司
Original assignee: Nidec Corp
Current assignee: Nidec Corp
Priority date: 2018-08-08
Filing date: 2019-08-07
Publication date: 2021-03-19
Also published as: US20210297026A1; JPWO2020032084A1; JP7396283B2; WO2020032084A1; US11381186B2

Abstract

一种电动机驱动装置，其特征在于，具备：电动机，其具有转子及定子；逆变器，其与所述电动机电连接；以及控制装置，其控制所述逆变器，所述控制装置具有：阻抗观测器，其基于电压指令值、电流指令值、以及在所述逆变器与所述电动机之间流动的实际电流，至少推定所述电动机的阻抗的变化量；比较器，其计算所述电流指令值与在所述逆变器与所述电动机之间流动的所述实际电流的差分；以及故障检测部，其在所述阻抗的变化量超过了规定的阈值的情况或者低于规定的阈值的情况下、或者在所述比较器计算出的所述差分超过了规定的阈值的情况或者低于规定的阈值的情况下，输出故障标志。

Description

电动机驱动装置、电动油泵和电动机驱动装置的故障检测方法

技术领域

本发明涉及电动机驱动装置、电动油泵以及电动机驱动装置的故障检测方法。

近年来，具有自动驾驶功能的汽车、电动汽车等开始普及。在这样的车辆中，进行所谓的电动化，代替液压机构而使用电动机、电动泵等。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本注册专利：日本专利4042050号公报

发明内容

发明所要解决的课题

电动泵搭载于汽车等车辆，例如用于使在发动机、驱动用电动机等的冷却中使用的制冷剂循环。(例如，日本注册专利：参照日本专利4042050号)在电动泵等中，即使在由于某种原因而发生了故障的情况下，也寻求具有用于使车辆能够行驶的冗余功能。在发生了故障的情况下，在检测出故障的基础上，考虑将该部位切离，用其他要素代替该故障部位的功能。

但是，故障的检测需要各种传感器，有可能导致结构的复杂化和成本的增加。

因此，本发明的目的之一在于提供一种能够以简单的构造且低成本容易地检测故障的发生的电动机驱动装置。

用于解决课题的手段

本发明的例示性的一实施方式的电动机驱动装置具备：电动机，其具有转子及定子；逆变器，其与所述电动机电连接；以及控制装置，其控制所述逆变器，所述控制装置具有：阻抗观测器，其基于电压指令值、电流指令值、以及在所述逆变器与所述电动机之间流动的实际电流，至少推定所述电动机的阻抗的变化量；比较器，其计算所述电流指令值与在所述逆变器与所述电动机之间流动的所述实际电流的差分；以及故障检测部，其在所述阻抗的变化量超过了规定的阈值的情况或低于规定的阈值的情况下，或者在所述比较器计算出的所述差分超过了规定的阈值的情况或低于规定的阈值的情况下，输出故障标志。

本发明的例示性的一实施方式的电动机驱动装置的故障检测方法具备以下步骤：阻抗观测器基于电压指令值、电流指令值、以及在逆变器与电动机之间流动的实际电流，至少推断上述电动机的阻抗的变化量的步骤；比较器计算上述电流指令值与在上述逆变器与上述电动机之间流动的上述实际电流的差分的步骤；以及在上述阻抗的变化量超过规定的阈值的情况或低于规定的阈值的情况下，或者在上述比较器计算出的上述差分超过规定的阈值的情况或低于规定的阈值的情况下，故障检测部输出故障标志的步骤。

发明效果

根据本发明的一个方式，能够以简单的构造且低成本容易地检测电动机中的故障的发生。

附图说明

图1是表示本实施方式的控制装置的结构的框图。

图2是表示使用了本实施方式中的电流的差分的故障检测系统的结构的框图。

图3是表示使用了本实施方式中的阻抗的差分的故障检测系统的框图。

图4是表示本实施方式的变形例的控制系统的结构的框图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式的电动机控制进行说明。另外，本发明的范围并不限定于以下的实施方式，可以在本发明的技术思想的范围内任意地变更。

图1是表示控制装置1的结构的框图的一例。图1所示的本发明的一实施方式中的控制装置1具有逆变器10、转矩电流指令转换器20、3相电流电压指令转换器30、阻抗观测器40、差分器50以及故障检测部60。转矩电流指令转换器20、3相电流电压指令转换器30、阻抗观测器40、差分器50、故障检测部60作为电动机控制装置，搭载于微型计算机100(以下，记载为“微机”)。另外，该微机100输出控制逆变器10的信号，基于该信号控制电动机200的驱动。

在本实施方式中，电动机驱动装置具有电动机200和控制装置1。电动机200具有定子和相对于定子能够相对地旋转的转子。本实施方式的电动机驱动装置例如用于电动油泵。另外，电动机驱动装置也可以用于电动油泵以外的用途。

在电动机200安装有角度传感器210。角度传感器210检测转子的旋转角度。角度传感器210例如可以是组合了磁阻元件和传感器磁铁的传感器，也可以是霍尔元件(包括霍尔IC)等。另外，角度传感器也可以不检测转子的旋转角度，而是检测转子的旋转速度。

逆变器10具有多个开关元件。逆变器10与定子电连接。在本实施方式的逆变器10中，作为开关元件(FET，Field Effect Transistor)，例如使用MOSFET(Metal-OxideSemiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)等。在本实施方式中，电动机200是3相电动机。因此，本实施方式中的逆变器10具有6个FET。

逆变器10还连接有电流传感器220。在本实施方式中，作为电流传感器220，使用1个或多个分流电阻。在本实施方式中，从1个分流电阻检测电流。另外，作为电流传感器220，可以使用所谓的3分流电阻，也可以使用分流电阻以外的传感器。

向控制装置1提供转矩指令值T^*作为输入。通过由转矩传感器230检测出的转矩的值在基于未图示的滤波器的处理后，作为辅助转矩而被输入，由此得到转矩指令值T^*。所输入的转矩指令值T^*被输入至转矩电流指令转换器20。转矩电流指令转换器20对转矩指令值T^*进行累计转矩常数来作为增益的处理，并转换为3相的电流指令值I_a ^*、I_b ^*、I_c ^*。

电流指令值I^*从转矩电流指令转换器20输出，作为信号向3相电流电压指令转换器30输入。3相电流电压指令转换器30通过电压方程式的逆变换将电流指令值I^*变换为规定的电压指令值V^*。电压指令值V^*从3相电流电压指令转换器30输出，转换为占空比后，作为控制信号输入到逆变器10。另外，从3相电流电压指令转换器30输出电压指令值V^*，作为信号也输入到阻抗观测器40。

逆变器10基于电压指令值V^*，以规定的开关模式对各开关元件进行接通/断开控制信号的生成(PWM控制)，将规定的电压及电流提供给电动机200。

从逆变器10提供给电动机200的实际电流I通过上述电流传感器220按照3相的各相(U相、V相、W相)进行检测。检测出的3相的实际电流I_a、I_b、I_c作为信号被输入到阻抗观测器40。

阻抗观测器40能够基于实际电流I以及电压指令值V^*，针对各相推定电动机驱动装置中的阻抗的变化量ΔR。在此，阻抗观测器40例如是基于本实施方式中的电动机的控制模型的逆模型的干扰观测器。然而，阻抗观测器40也可以是干扰观测器以外的观测器。另外，阻抗观测器40能够基于实际电流I，通过下述的数学式1计算实际电压V(实际3相电压)。

[数学式1]

在数学式1中，R_th是电动机的阻抗，ΔR_th是电动机的阻抗误差，L是电感。另外，EMF是反电动势。

各相的阻抗的变化量ΔR_th被反馈到3相电流电压指令转换器30。3相电流电压指令转换器30基于反馈的各相的阻抗的变化量ΔR_th、电流指令值I^*、实际电压V，通过下述的数学式2输出各相的电压指令值V_a ^*、V_b ^*、V_c ^*。

[数学式2]

在数学式2所示的ΔR_tha、ΔR_thb、ΔR_thc中包含阻抗的温度变动量和由故障引起的变化量。然而，在电动油泵中，测定作为制冷剂的油的温度的情况较多。此时，测定出的油的温度和电动机线圈温度、驱动电路的温度成为温度平衡状态，因此成为相同的温度。因此，优选将使用测定出的油温除去了由温度引起的阻抗变化量后的值设为ΔR_tha、ΔR_thb、ΔR_thc。

从电流传感器220检测出的实际电流I和从转矩电流指令转换器20输出的电流指令值I^*被输入到差分器50。差分器50计算实际电流I与电流指令值I^*的差分ΔI。

实际电流I与电流指令值I^*的差分ΔI以及阻抗的变化量ΔR作为信号被输入到故障检测部60。故障检测部60能够基于实际电流I与电流指令值I^*的差分ΔI以及阻抗的变化量ΔR来判定各故障(占空比故障、分流电阻的故障、逆变器的FET的故障、角度传感器的故障、电动机的结构的故障等)。

例如，能够利用阻抗的变化量ΔR、实际电流I与电流指令值I^*的差分ΔI来判定占空比故障、分流电阻的故障、逆变器的FET的故障。在占空比故障中，通过对实际电流I与电流指令值I^*的差分ΔI进行累积相加，来进行故障的判定。另外，角度传感器的故障能够基于实际电流I与电流指令值I^*的差分ΔI来进行判定。电动机驱动装置中的阻抗的变化所引起的故障能够基于阻抗的变化量ΔR来判定。

进而，因故障而产生的ΔR由于故障本身针对每个电气电子部件而独立地发生，因此在ΔR_tha、ΔR_thb、ΔR_thc中，仅针对1个相出现变化。因此，通过进行多数决定，取出表示规定以上的大小的变化的1相，能够提高故障检测的精度。

此外，故障检测部60也可以不仅利用实际电流I与电流指令值I^*的差分ΔI以及阻抗的变化量ΔR，还利用角度传感器210的输出值来判定上述故障。

另外，在本实施方式中，转矩电流指令转换器20的输出和3相电流电压指令转换器30的输出分别被前馈到阻抗观测器40、差分器50等。即，通过转矩电流指令转换器20和3相电流电压指令转换器30构成前馈控制系统。

＜ΔI的故障检测逻辑＞

接下来，对使用了故障检测部60中的实际电流I与电流指令值I^*的差分ΔI的故障检测的逻辑进行说明。图2是表示使用了实际电流I与电流指令值I^*的差分ΔI的故障检测系统的结构的框图。首先，基于角度传感器210检测出的转子的旋转角度(电角)，对实际电流I和电流指令值I^*进行3相2轴转换。在此，2轴是所谓的d-q同步坐标系。将转子所具有的永久磁铁的磁通(N极)方向设为d轴，将从d轴朝角度θ的正方向前进90度的方向设为q轴。这里所说的角度θ是指由电角表示的角度。

如上所述，实际电流I由电流传感器220等检测。基于角度传感器210检测出的转子的旋转角度(电角)对检测出的实际电流I进行3相2轴转换。

对进行了3相2轴转换的实际电流I_CNV的值与电流指令值I_CNV ^*进行比较，基于该比较结果进行故障的判定。在判定为有故障的情况下，故障检测部60输出故障标志70(信号)。例如，故障检测部60针对d轴、q轴分别计算进行了3相2轴转换的实际电流I的值与电流指令值I^*的差分ΔI。接着，针对d轴、q轴分别求出成为目标值的ΔI的差分值ΔI_T与实际的差分值ΔI_A。然后，将各轴的ΔI_T与ΔI_A之差相加。在通过上述方法相加而得的值超过规定的阈值的情况下(或低于的情况下)，判定为故障。基于从故障检测部60输出的故障标志70，控制装置1例如进行电动机200的驱动的停止等。

作为利用了实际电流I与电流指令值I^*的电流的差分ΔI的故障检测的一例，对角度传感器210的故障检测进行说明。

在角度传感器210发生故障的情况下，基于从故障的角度传感器210输出的转子的位置信息，进行包含上述前馈控制的控制。在该情况下，在没有故障的情况下的实际电流I与存在故障的情况下的实际电流I_B之间，电流值产生差。基于实际电流I和电流指令值I^*，对d轴、q轴分别计算差分ΔI。对于d轴、q轴分别求出成为目标值的ΔI的差分值ΔI_T和实际的差分值ΔI_A，在将各轴的ΔI_T与ΔI_A之差相加而得到的值超过规定的阈值的情况下(或者低于的情况下)，判定为角度传感器发生了故障，并输出故障标志。

另外，对于进行了3相2轴转换的电流指令值I_CNV ^*(指示电流)，也可以如图4所示，进一步与检测余量m相加，对进行了3相2轴转换的实际电流I_CNV的值与加上了检测余量m后的电流指令值(I_CNV ^*+m)进行比较，基于该比较结果，进行角度传感器的故障的判定。通过使用检测余量m，能够使阈值可变。

根据干扰因素的大小，成为电流的目标值的ΔI的差分值ΔI_T和实际的差分值ΔI_A发生变化。为了防止因干扰因素的变化而导致的误检测、未检测，检测余量用于使故障判定阈值变动。干扰因素包括电源电压、电动机转速、目标转矩、电动机绕组温度。

＜ΔR的故障检测逻辑＞

接下来，对故障检测部60中的使用了ΔR的故障检测的逻辑进行说明。

阻抗观测器40计算3相的电压指令值V_a ^*、V_b ^*、V_c ^*与实际3相电压V_a、V_b、V_c的差分。基于3相的电压指令值V_a ^*、V_b ^*、V_c ^*与实际3相电压V_a、V_b、V_c的差分、以及3相的电流指令值I_a ^*、I_b ^*、I_c ^*，在数学式2中将电压的差分ΔV除以电流指令值I^*，由此求出阻抗的变化量ΔR。

进行计算出的阻抗的变化量ΔR与规定的阈值的比较，基于该比较结果进行故障的判定。故障检测部60在判定为发生了故障的情况下，输出故障标志70(信号)。

作为利用了阻抗的变化量ΔR的故障判定的一例，对阻抗故障进行说明。

定子具有多个线圈。作为阻抗故障的一例，有构成线圈的绕组的断线、与线圈连接的汇流条等的变形等。

在发生了这样的阻抗的故障的情况下，在没有故障的情况下的阻抗与存在故障的情况下的阻抗之间出现差分、即阻抗的变化量ΔR。故障检测部60在阻抗的变化量ΔR超过规定的阈值的情况下(或者低于的情况下)，判定为阻抗发生了故障，并输出故障标志70。

＜ΔI以及ΔR的故障检测逻辑＞

在上述故障判定中，仅使用了实际电流I与电流指令值I^*的差分ΔI以及阻抗的变化量ΔR中的某一方。然而，也可以使用实际电流I与电流指令值的电流I^*的差分ΔI以及阻抗的变化量ΔR双方来进行电动机驱动装置中的故障的判定。

例如，在逆变器10的控制信号即占空比存在异常的情况下，在电流传感器发生了故障的情况下，或者在逆变器10所具有的开关元件(FET等)发生了故障的情况下，与没有上述故障的情况相比，实际电流I、实际电压V、阻抗R的各值发生变化，实际电流I与电流指令值I^*的差分ΔI以及阻抗的变化量ΔR双方的值发生变化。

因此，在实际电流I与电流指令值I^*的差分ΔI超过了规定的阈值的情况下(或者低于的情况下)，并且，在阻抗的变化量ΔR超过了规定的阈值的情况下(或者低于的情况下)，逆变器10的控制信号即占空比存在异常的情况、电流传感器220发生了故障的情况、以及逆变器10所具有的开关元件(FET等)发生了故障的情况中的至少任意1个发生了故障。即，故障检测部60能够基于实际电流I与电流指令值I^*的电流的差分ΔI以及阻抗的变化量ΔR双方的值来判定这些故障，并输出故障标志。

换言之，故障检测部60能够基于实际电流I与电流指令值I^*的电流的差分ΔI以及阻抗的变化量ΔR中的至少任意一方的值，判定占空比的异常、电流传感器的故障、开关元件的故障、角度传感器的故障、阻抗的故障中的至少任意1个。

在上述实施方式中，涉及电动机的控制。然而，本发明也可以用于使用该电动机的电动动力转向装置、电动泵、其他致动器等。

在本说明书中说明的各结构能够在相互不矛盾的范围内适当地组合。

Claims

1.一种电动机驱动装置，其特征在于，具备：电动机，其具有转子以及定子；逆变器，其与所述电动机电连接；以及控制装置，其控制所述逆变器，

所述控制装置具有：阻抗观测器，其基于电压指令值、电流指令值、以及在所述逆变器与所述电动机之间流动的实际电流，至少推定所述电动机的阻抗的变化量；比较器，其计算所述电流指令值与在所述逆变器与所述电动机之间流动的所述实际电流的差分；以及故障检测部，其在所述阻抗的变化量超过了规定的阈值的情况或低于规定的阈值的情况下，或者在所述比较器计算出的所述差分超过了规定的阈值的情况或低于规定的阈值的情况下，输出故障标志。

2.根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于，

所述阻抗的变化量起因于在所述定子中发生的故障，所述故障检测部输出所述故障标志。

3.根据权利要求1或2所述的电动机驱动装置，其特征在于，

所述阻抗观测器根据推定出的所述阻抗的变化量，进行除去由温度引起的所述阻抗的变化量的处理。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电动机驱动装置，其特征在于，

所述阻抗观测器通过多数决定来确定故障的相。

5.根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于，

所述电动机具有检测所述转子的旋转位置并输出所述转子的位置信息的角度传感器，所述比较器基于所述位置信息对所述实际电流进行3相2轴转换，基于所述位置信息对所述电流指令值进行3相2轴转换。

6.根据权利要求5所述的电动机驱动装置，其特征在于，

所述差分起因于所述角度传感器的故障。

7.根据权利要求5或6所述的电动机驱动装置，其特征在于，

所述比较器在针对所述实际电流的所述3相2轴变换中，与检测余量相加。

8.根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于，

所述电动机还具有检测流过所述电动机的所述实际电流的电流传感器，基于所述阻抗的变化量和所述差分，判定所述电流传感器的故障，输出所述故障标志。

9.根据权利要求7或8所述的电动机驱动装置，其特征在于，

所述故障检测部基于所述阻抗的变化量和所述差分，判定控制所述逆变器的信号即占空比的异常，并输出所述故障标志。

10.根据权利要求8或9所述的电动机驱动装置，其特征在于，

所述逆变器具有多个开关元件，所述故障检测部基于所述阻抗的变化量和所述差分，判定所述开关元件的故障，并输出所述故障标志。

11.一种电动油泵，其特征在于，具有权利要求1～10中任一项所述的电动机驱动装置。

12.一种电动机驱动装置的故障检测方法，其特征在于，具备以下步骤：

阻抗观测器基于电压指令值、电流指令值、以及在逆变器与电动机之间流动的实际电流，至少推定所述电动机的阻抗的变化量的步骤；

比较器计算出所述电流指令值与在所述逆变器和所述电动机之间流动的所述实际电流的差分的步骤；以及

在所述阻抗的变化量超过了规定的阈值的情况或低于规定的阈值的情况下，或者在所述比较器计算出的所述差分超过了规定的阈值的情况或低于规定的阈值的情况下，故障检测部输出故障标志的步骤。